книги / Радиопередающие устройства
..pdfрировать колебания выше собственной резонансной частоты. В практических схемах генераторов и усилителей к лампе подклю чают внешнюю резонансную систему, в которую оказываются включенными реактивности лампы, влияющие на часюту генера ции или усиления.
В транзисторных генераторах СВЧ необходимо учитывать ем кости р—«-переходов и индуктивности выводов транзистора. Для этого можно воспользоваться эквивалентной схемой транзистора, приведенной на рис. 1.2. Здесь Ска — «активная» часть емкости коллекторного перехода (барьерная емкость обратпосмещенного коллекторного перехода), Сш — пассивная емкость коллекторного перехода (конструктивная емкость между коллектором и выводом базы). Остальные обозначения известны из курса «Электронные приборы».
Влияние времени пролета электронов в лампе
Излучаемые катодом электроны в лампе летят к аноду с конеч
ной скоростью о = 5,95-103 Y где U — разность потенциалов электродов, между которыми движется электрон. Из-за конечной скорости движения электрон пролетает расстояние от катода к аноду за некоторое конечное время t. На низких частотах это время оказывается намного меньше периода управляющего коле бания на сетке. Поэтому на низких частотах все электроны, выле тевшие из катода во время положительного полупериода управля ющего напряжения, пролетают плоскость сетки и долетают до анода, создавая анодный ток. Он протекает на протяжении всего полупериода управляющего напряжения на сетке. Можно ска зать, что при управлении электронным потоком с помощью п.
ременного напряжения на сетке за время движения электрона катода к сетке управляющее напряжение изменится незиачптель-
Рис. 4.2. Резонансная система трио да СВЧ, оСразованная его реактив ностями
Влияние времени перемещения электронов в транзисторе
Условия перемещения |
носителей зарядов в электронной |
лампе |
и |
|||
в полупроводниковом |
приборе |
различны. В |
лампе— вакуум. |
И |
||
электроны |
движутся |
свободно. |
В полупроводниковом |
приборе |
||
электроны |
перемещаются в кристаллической |
решетке |
твердого |
|||
тела. Процесс перемещения зарядов от эмиттера к коллектору з транзисторе удобно проследить, пользуясь схематическим изо бражением транзистора, приведенным на рис. 4.4,а. Время пере носа заряда от эмиттера к коллектору определяется следующими составляющими:
ТэК = Тэ.з +Тт.б-ЬТ о.к4-Т к.з,
где Тэ.з — постоянная времени заряда барьерной емкости эмиттерного перехода Сэ.э; тт.б — время пролета неосновными носителями
заряда базовой области; т 0.к — время переноса заряда |
в обеднен |
ном слое коллектора; т к.з — постоянная времени заряда |
барьерной |
емкости активной части коллекторного перехода Ска. |
через базу |
Из-за конечного времени пролета носителей заряда |
ток коллектора отстает по фазе от тока эмиттера. Амплитуда то ка коллектора меньше амплитуды тока эмиттера из-за размытия пакетов носителей заряда.
С повышением частоты коэффициент передачи тока эмиттера h2iG (или тока базы /г21 Э) уменьшается, как показано на рис. 4.4,6. Причем h2l э резко падает на значительно более низких час тотах, чем h2xб, из-за фазового сдвига между токами эмиттера и коллектора. Частота, на которой модуль коэффициента передачи
тока эмиттера h2l б (или тока базы &21 (,) уменьшается в У~2 раз по сравнению с низкочастотным значением, называется предель ной частотой co/i2i6 (или <йЛ21 э).
Величина, обратная времени переноса заряда от эмштера к
коллектору, |
называется граничной частотой |
транзистора |
согр — |
—1/тэк- Она |
определяется экспериментально |
в соответствии |
с вы- |
Рис. 4.4- Схематическое изображение транзистора |
(а) и |
частотные |
зависимо |
сти моДУЛей передачи коэффициентов передачи от |
частоты при |
включении |
|
транзиеТ°Ра п0 схеме с общей базой (1) и с |
общим |
эмиттером (2) (б) |
|
6* |
|
|
163 |
ражением /гр= |Л2Хэ|/ или £йГр = |Л21 Э|со, где Лго — модуль коэф. фициента усиления транзистора по току в схеме с общим эмитте ром на частоте сигнала со -
Таким образом, граничная частота коэффициента передачи тока базы — это частота, при которой модуль коэффициента передачи тока базы становится равным единице, т. е. |Л21 э| = 1. (Заметим, что граничная частота коэффициента передачи тока транзистора в схеме с общей базой равна предельной.)
Но наиболее полно характеризует предельные частотные воз можности транзистора максимальная частота генерации /макс — такая частота, на которой коэффициент усиления транзистора по мощности становится равным единице. На частотах, превышающих
/макс, транзистор перестает быть активным элементом, и он только поглощает входной сигнал. В этом случае усиление и генерация на транзисторе невозможны. Современные биполярные транзисторы удовлетворительно работают на частотах до 15 ГГц. Максимальная выходная мощность, которую они обеспечивают в непрерывном режиме, достигает 300 Вт на частоте 1 ГГц, 20 Вт — на 3 ГГц, 1 Вт — на 10 ГГц и 0,1 Вт — на 14 ГГц. Дальнейшее повышение генерируемой частоты достигается в электронных приборах с ди намическим управлением, при котором в результате взаимодействия электронного потока с электростатическим полем колебатель ной системы прибора происходит модуляция потока по скорости, что при дальнейшем движении электронов приводит к модуляции их по плотности.
4.2. ГЕНЕРАТОРЫ МЕТРОВЫХ ВОЛН
Особенности. На метровых волнах влияние инерции электронов проявляется настолько мало, что ею можно пренебрегать. Но реак тивности электронных приборов, т. е. междуэлектродные емкости и индуктивности выводов электродов, оказываются соизмеримыми с емкостью и индуктивностью колебательного контура. Поэтому в ге нераторах метровых волн применяют лампы обычного принципа ра боты, но с конструктивными особенностями, уменьшающими меж дуэлектродные емкости и индуктивности выводов. Колебательные системы выполняются как с сосредоточенными параметрами (на волнах порядка 5— 10 м), так и в виде отрезков длинных линий {на волнах короче 5 м). При построении и анализе схемы гене ратора необходимо учитывать междуэлектродные емкости и ин дуктивности выводов.
На СВЧ часто применяют схему с заземленной сеткой, как обеспечивающую более устойчивую работу усилителя. В этой схе ме входной контур включен между анодом и сеткой, как показа но на рис- 4.5, а выходной — между анодом и сеткой. Такое вклю
чение контуров |
уменьшает паразитную связь |
между ними через |
С „ в 50... 100 |
раз по сравнению со схемой |
с заземленным ка |
тодом, так как С «к < С ас. Кроме того, достоинство схемы с зазем ленной сеткойотсутствие взаимного влияния регулировки час-
164
Рис. 4.5. Схема с заземленной сеткой
тоты на регулировку связи. В автогенераторах также используют схему с заземленной сеткой, потому что заземлять сетку конст руктивно удобно. Заземлять катод нельзя из-за значительной индуктивности его вывода. Но обратная связь через проходную емкость Сак может оказаться недостаточной для самовозбужде ния. Поэтому в конструкцию автогенератора вводят дополнитель ные элементы обратной связи. Схема генератора метровых волн с внешним возбуждением на тетроде с общим катодом приведена на рис. 4.6,с. Напряжение от предыдущего каскада подается на вход с помощью четвертьволнового отрезка коаксиального кабе ля, помещенного в дополнительный экран. Выходная резонансная система состоит из двух контуров, выполненных из отрезков длин ных линий. В этих контурах роль индуктивности выполняют от резки длинных линий, а роль емкости — междуэлектродные ем кости лампы. Конденсатор СЗ выравнивает потенциалы обоих концов катода. Питание анода осуществляется по последователь ной схеме через дроссель. Подбор связи с предыдущим каскадом выполняется конденсатором переменной емкости С2, а регулиров ка связи с нагрузкой — конденсатором С5. Эквивалентная схема генератора, приведенного на рис- 4.6,а, показана на рис. 4.6,6. Нейтрализация рроходной емкости лампы выполнена по мостовой схеме.
Схема генератора метровых волн с внешним возбуждением на тетроде с заземленной сеткой приведена на рис. 4.7. Колебатель ные системы здесь образованы отрезками коаксиальных труб. От резки длинных Линий эквивалентны индуктивностям. Роль емко стей контуров вьшолняют междуэлектродные емкости лампы. Так, индуктивность в цепи сетка — катод образуется внешней поверх-
Ряс. 4.7. Схема генератора метровых волн с заземленной сеткой, с односторон ним (а) и двусторонним (б) расположением резонаторов
ностью трубы Т5 и внутренней поверхностью трубы Т4. Выходная резонансная система состоит из двух контуров: анодного и про межуточного. Индуктивность анодного контура образована внут
ренней поверхностью трубы Т2 и внешней поверхностью |
трубы |
||
ТЗ. Индуктивность промежуточного контура— трубами Т1 |
и Т2. |
||
Настройка |
резонаторов |
выполняется перемещением плунжеров- |
|
перемычек |
внутри труб. |
Связь между резонаторами — через от |
|
верстие в стенке трубы.
Двухтактные генераторы метровых волн. В генераторах корот коволновой части метрового диапазона волн в качестве резонанс ных систем применяют индуктивные отрезки симметричных двух проводных линий совместно с междуэлектродными емкостями ламп. В этих случаях из-за симметрии ре зонансной системы удобно применять двух тактную схему. На рис. 4.8 приведена схе ма двухтактного генератора с общей сет кой. Анодный контур настраивается пере мещением мостика M l, режим регулирует
ся мостиком М2.
Ряс. 4.8. Схема двух тактного генератора с общей сеткой
Автогенераторы метровых волн. Принципиальные электрические и конст руктивные схемы автогенераторов СВЧ не значительно отличаются от генераторов с внешним возбуждением. В генераторах с внешним возбуждением обеспечивается связь входной резонансной системы с ис точником возбуждения, а в автогенерато рах должна быть предусмотрена дополни тельная обратная связь.
Принципиальная схема однотактного лампового автогенератора коротковолно
вой части метрового |
диапазона |
волн при |
|
ведена |
на рис. 4.9. |
Резонансная систе |
|
ма в |
цепи анод — сетка |
образуется |
|
|
а) |
|
6) |
|
|
Рис. 4.9. Схемы автогенератора |
метровых волн с общей сеткой (а) |
и с общим |
|||
анодом |
(б) |
|
|
|
|
индуктивностью двухпроводной или |
полосковой |
линии |
длиной |
||
U = \/4 |
и внутриламповой |
емкостью |
монтажа. |
Автоматическое |
|
смещение создается цепочкой RcCc. Питание анода выполняется по последовательной схеме через дроссель La. Контур в цепи ка тод — сетка состоит из емкости Сск и катодного дросселя LK, ко торый выполняют из медной посеребренной трубы. Перемещением щупа по дросселю подбирают коэффициент обратной связи. Фи зические процессы в схеме протекают в основном как в обычной схеме автогенератора.
Автогенератор можно преобразовать в генератор с внешним возбуждением. Для этого вместо дросселя LK в цепь катода вклю чается вторичная обмотка высокочастотного трансформатора. При этом возбуждающее напряжение оказывается включенным в цепь сетка — катод лампы.
На рис. 4.10,а приведена схема однотактного автогенератора метровых волн с общим анодом, а на рис. 4.10,6 — с общей сет кой- В колебательную систему этих схем входит катушка индук тивности L, состоящая из нескольких витков. Дросселем LK изо лируют катод от земли по высокой частоте.
Рис. 4.10. Схемы однотактных автогенера- |
Рис. 4.11. Схема генератора мет- |
||
торов метровых волн |
с |
общим анодом |
ровых волн на транзисторе |
(а) и с общей сеткой |
(б) |
|
|
^'даишц-.
/X"
1 Ь п
-н-
Ср2
Ч4 ч н г г
и - П * к
Оi
v»
a)
* )
Рис. 4.l2. Схемы генераторов дециметровых волн:
« — на металлокерамическом триоде с кольцевыми выводам б — на транзисторе
Для превращения схемы в самовозбуждающуюся применяют до* полнительную обратную связь через отверстие в сеточной трубе.
Принципиальная схема транзисторного генератора с внешним возбуждением в дециметровом диапазоне волн приведена на рис. 4.12,6. Колебательные системы в ней выполнены на элементах с
сосредоточенными параметрами. Катушки L1 и |
L2 изготовлены |
||
в виде плоских спиралей. Конденсаторы |
Cl, С2 |
и С4 |
выполнены |
в виде близкорасположенных пластин, а |
СЗ — в |
виде |
сплошной |
металлизированной площадки. Вся схема выполнена на диэлект рической подложке методом фотолитографии. Транзистор уста навливается на заземленную плату с помощью механического крепления-
На частотах выше 300 МГц в транзисторных генераторах для целей согласования и фильтрации применяют полосковые линии. Это упрощает изготовление генераторов, так как транзисторы на частотах выше 400 МГц имеют плоские выводы, приспособленные для сопряжения с полосковыми колебательными системами. На
рис. 4.12,в приведена схема генератора с использованием полос |
|
ковых линий. Входная |
согласующая цепь выполнена на дискрет |
ных конденсаторах С1 |
и С2 и индуктивности в виде разомкнутой |
микроРолосковой линии 1 длиной /> У 4 . Выходная цепь обра |
|
зована дискретными конденсаторами СЗ и С4 и микрополосковой |
|
линией W5. В качестве блокировочных дросселей |
используются |
микроРолосковые линии W2 и W4 длиной Я./4. |
Блокировочный |
конденсатор выполнен на микрополосковой линии |
W3 длиной Х/4*. |
4.4. КЛИСТРОННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ
Клистроном называется электровакуумный прибор с динамиче ским управлением электронным потоком. Конструктивно клистрон представляет собой стеклянную или металлическую колбу, внут ри которой создан вакуум и помещены электроды. Различают два типа клистронов: пролетные и отражательные. Пролетные клистроны могут работать как усилители, умножители или гене раторы. В радиосредствах гражданской авиации они используют ся в мощных радиолокационных передатчиках, телевидении деци метрового и сантиметрового диапазонов, а также в тропосферной и космической связи. В непрерывном режиме работы они могут создавать мощность в дециметровом диапазоне до 100 кВт, в сантиметровом до 300 кВт, в миллиметровом до 10 кВт. В им пульсном. режиме работы выходная мощность составляет соот ветственно: 100 мВт (ДМ), 20... 30 МВт (СМ) и 100 кВт (ММ). Мощность бортовых передатчиков искусственных спутников Зем ли и межпланетных станций не превышает десятков ватт.
Отражательные клистроны работают только в режиме само возбуждения и используются в качестве автогенераторов.
Устройство усилительного двухрезонаторного клистрона по казано на рис. 4.13. Он состоит из электронной пушки, в состав которой входит катод и дополнительные электроды, фокусирую щие электроны в узкий луч, двух объемных резонаторов и кол лектора. На фокусирующее устройство подается небольшой от рицательный потенциал относительно катода. Изменяя значение этого потенциала, можно регулировать ток луча. Между катодом и коллектором приложено большое постоянное положительное на пряжение Е0. Коллектор соединен с резонаторами. Поэтому резо наторы и коллектор находятся под одинаковым потенциалом от носительно катода. Каждый резонатор представляет собой полый тороид, внутреннее отверстие которого с двух сторон прикрыва ется сетками, служащими обкладками конденсатора. Полость то* роида является индуктивностью. Таким образом, объемный резо натор является колебательным контуром.
J г г 5
Коллект ор
Рис. 4.13. Устройство (а) и идеализированная схе ма (б) двухрезонаторно^ го клистрона