книги / Основы применения электронных приборов сверхвысоких частот

2.4. Зависимость коэффициента полезного действия от

триодных и тетродных генераторов GB4 с различными контуров.

прерывном режиме уровней мощности до 300 кет на ча­ стоте 400 Мгц и 10 кет на частоте 900 Мгц [9, 10].

Факторами, ограничивающими уменьшение длины волны триодиых генераторов, являются [5, 6, 7]:

—междуэлектродные расстояния;

—эмиссионная способность катода;

—мощности рассеивания на электродах (включая катодную бомбардировку);

—электрическая прочность (максимально допусти­ мые напряжения на электродах);

—потери в лампе и ВЧ контуре.

Согласно выражению (2.5), данным табл. 2.1 и воз­ можностям современных катодов предельные длины волн триодиых генераторов для различных уровней мощ­ ности могут быть оценены значениями, приведенными в табл. 2.2.

Т а б л и ц а 2.2

Формула (2.5) и данные табл. 2.2 могут быть ис­ пользованы для ориентировочных расчетов правильно­ сти применения триодов в отношении длины волны.

Отсюда следует, что конструкцию триода СВЧ нель­ зя рассматривать в отрыве от возможностей катодов. Среди большого числа разнообразных катодов (метал­ лических, пленочных, L-катодов и др.) наиболее рас­ пространенным является оксидный катод, представляю­ щий собой смесь бикарбонатов бария, стронция и каль­ ция (ВаСОз, SrC 03, СаСОз), нанесенную на никелевую подложку. Оксидный катод обладает высокой эмисси-

43

Онной способностью, rtMeef сравнйтельйо невысокую ра­ бочую температуру (около 1000° К) и является достаточ­ но долговечным; Ограничения, которые накладываются на оксидный катод, определяются:

— допустимой плотностью тока / к, а/см2;

—допустимой напряженностью электрического по­ ля Е, в/см;

—температурным режимом катода (температура ка­

тода должна поддерживаться в пределах 925— 1125°К).

Рис. 2.5. Зависимость анодного тока от анодного напряжения для ламп в диодном соединении.

От температуры катода зависит начальный ток лам­ пы и ток в области насыщения. Вообще для ламп в ди­ одном соединении с управляемым пространственным за­ рядом различают три основные области (рис. 2.5,с):

—область начальных токов I,

—область пространственного заряда //,

—область тока насыщения III.

Теоретическая зависимость начального тока от тем­ пературы катода при Ua < 0 и плоскопараллелыюй си­ стеме электродов определяется формулой:

d — расстояние между катодом и анодом, см.

В области пространственного заряда оказывается, что величина анодного тока не зависит от температуры

44

Рабочая область триодов связана со II областью. Если зависимость анодного тока лампы от напряжения близка к выражению l2l3~ U a, то можно считать, что эмиссионная способность катода нормальная (рис. 2.5.6). Однако по мере ухудшения эмиссионной способности катода (например, в течение срока службы) отступле­ ние от закона степени 3/г начинает проявляться при меньших значениях тока. При меньших значениях тока начинаются и искрения.

Следующим важным элементом конструкции триодов СВЧ является сетка. Обычно она состоит из ряда па­ раллельных проволочек, прикрепленных к диску или ци­ линдру сеточного вывода. Во время работы за счет ра­ зогревания сетки происходит ее провисание. Последнее неблагоприятным образом может сказаться на вйброустойчивости триодиого генератора.

Как показывают .расчеты [8J, для сеток, выполненных из натянутых вольфрамовых проволок, зависимость ос­ новной частоты вибрации сетки F связана с ее темпера­

турой Тс и определяется выражением

где L — длина незакрепленных отрезков проволоки сет­ ки, см.

Правильное применение триодных и тетродных уси­ лителей и генераторов СВЧ может быть обеспечено

45

только в том случае, если их схемы рассчитаны на рабо­ ту в реальных условиях при напряжениях питания, учи­ тывающих изменения электрических параметров в пре­ делах допусков при производстве и в течение срока службы приборов.

К числу таких основных параметров относятся: кру­ тизна характеристики, коэффициент усиления, междуэлектродные емкости, эмиссионная способность катода. Кроме того, необходимо знание рекомендуемых и пре­ дельно допустимых эксплуатационных режимов триодов, определяемых напряжением накала, анодным напряже­ нием, напряжением на управляющей сетке, мощностью, рассеиваемой та электродах, напряжением катод — по­ догреватель, температурой колбы и выводов электродов. Полезными в этом отношении являются статические ха­ рактеристики ламп: анодные и сеточно-анодные (рис. 2.6 и 2.7).

При выборе и расчёте схемы генератора небезынте­ ресным является знание следующих данных для триодов (или тетродов) СВЧ: предельная длина волны, расстоя­ ние между электродами, площадь катода, а также его устойчивость к климатическим и механическим воздей­ ствиям, время готовности, срок службы, допуска на гео­ метрические размеры, потребный расход воздуха или жидкости при принудительном охлаждении.

В табл. 2.3 приведены данные для некоторых рас­ пространенных отечественных и зарубежных типов трио­ дов и тетродов СВЧ, характеризующие их статические параметры, режим работы и конструкцию (геометрию) приборов. Эти данные позволяют получить представле­ ние о связи динамических и статических параметров триодов СВЧ. Более подробные сведения могут быть почерпнуты из справочников и частных технических условий на приборы.

Следует заметить, что удовлетворение требованиям надежности и долговечности приборов может быть до­ стигнуто путем снижения - анодных напряжений для ламп, используемых в аппаратуре, по сравнению с пре­ дельными испытательными режимами. Кроме того, по мере повышения частоты генератора за счет увеличения потерь и понижения к. п. д. также приходится в ряде случаев понижать питающие напряжения (подводимую мощность).

46

Рис. 2.6. Статические анодные характеристики триодов и тетродов СВЧ.

Рис. 2.7. Статические сеточно-анодные характеристи­ ки триода и тетрода по второй сетке.

47

Некоторое представление об эксплуатационных и испытательных режимах можно получить из данных, приведенных в табл. 2.4.

За последние годы большое внимание уделяется по­ вышению устойчивости ламп к механическим и темпера­ турным воздействиям. В этом отношении наиболее устойчивыми являются металло-керамические триоды и тетроды. Так, например, тетрод типа Z-5192, рассчитан­ ный на частоту 1000 Мгц и уровень выходной мощности 20 вт, выдерживает удары 400 g, ускорение 30 g в диа­

ские лампы типа 7650 и 7651, предназначенные для ра­ боты в управляемых снарядах в качестве генераторов и усилителей на частоте 1215 Мгц в непрерывном режиме с выходной мощностью 450 вт и в импульсном режиме 39 кет, выдерживают механические перегрузки до 20 g в диапазоне частот вибраций от 20 до 2000 гц и ударные -нагрузки до 400 g[ 12].

Отечественными предприятиями и зарубежными фир­ мами выпускаются металло-керамические лампы, обла­ дающие высокой надежностью, малым разбросом пара­ метров, повышенной механической и температурной стойкостью и имеющие срок службы до 1000 и более часов [13, 14].

Рассматривая конкретные случаи выбора типа гене­ ратора для радиотехнических устройств, необходимо бо­ лее детально представить достоинства и недостатки трнодных и тетродных генераторов СВЧ, обратив особое внимание на работу этих генераторов в широком диапа­ зоне частот и специфику их эксплуатации.

Достоинства триодных и тетродных генераторов по сравнению с другими типами генераторов СВЧ опреде­ ляются:

—сравнительно низковольтными питающими напря­ жениями невысокой стабильности;

—меньшей зависимостью частоты генерируемых ко­ лебаний и отдаваемой мощности от изменения питаю­

щих напряжений и сопротивления ВЧ нагрузки по сравнению с клистронными и магнетронными генерато­ рами;

—возможностью смены ламп в генераторе при вы­ ходе их из строя, что дает существенный экономический эффект;

—достаточно высоким коэффициентом полезного действия;

—сравнительной простотой осуществления ампли­ тудной модуляции;

—возможностью создания генераторов с механиче­ ской перестройкой частоты в широком диапазоне частот

скоэффициентом перекрытия до 1: 2—1: 3.

Недостатки триодных и тетродных генераторов СВЧ обусловливаются:

— сложностью конструкции контуров и необходи­ мостью введения нескольких органов регулировок для настройки генератора (регулировки анодно-сеточного и катодно-сеточного контуров, обратной связи, вывода энергии);

— недопустимостью, точнее сказать, трудностью осу­ ществления электронной перестройки частоты, что за ­ трудняет создание генераторов с частотной модуляцией и быстрой перестройкой частоты;

50

—резким снижением коэффициента полезного дей­ ствия при приближении к предельной частоте триода;

—наличием «провалов» мощности при создании пе­ рестраиваемых генераторов в широком диапазоне ча­ стот, связанных с паразитными резонансами сложных конструктивных элементов контуров и органов регули­ ровок.

На рис. 2.8 показаны упрощенное конструктивное выполнение контура генератора на металло-керамиче­ ской лампе ГИ-12 Б и его эквивалентная схема. Подоб­ ный генератор, как видно'из рисунка, достаточно сло­ жен, имеет несколько органов регулировок для на­ стройки частоты, обратной связи и связи контура с ВЧ выводом энергии.

На лампах по типу ГИ-12Б, ГИ-11Б и ГИ-СБ в 1946—1947 гг. фирмой Lorenz была разработана серия мощных широкодиапазонных генераторов типа ЛМС, ко­ торые продолжительное время использовались в практи­ ке измерительных лабораторий, несмотря на свою гро­ моздкость и необходимость измерения выходного уровня мощности. В этих генераторах используются схемы с общей заземленной сеткой, что обеспечивает непло­ хое разделение сеточного и анодного контуров и устра­ няет вредную связь между ними. Анодно-сеточные и се­ точно-катодные контуры имеют синхронную настройку, обеспечивающую достаточно высокий к.п.д. генераторов при оптимальной обратной связи во всем частотном диа­ пазоне.

Типичные графики зависимости выходной мощности от частоты для генераторов ЛМС показаны на р-ис. 2.9. Из этих графиков видно, что лишь в длинноволновой части дециметрового диапазона волн удается создать генератор с постоянным уровнем выходной мощности ЛМС-551 и ЛМС-541. а в коротковолновой части деци­ метрового диапазона имеют место большие изменения мощности при перестройке частоты.

Изменение мощности триодного и тетродного гене­ раторов может быть достигнуто путем изменения на­ пряжения или тока анода, что используется для коррек­ тировки выходного уровня мощности генераторов (рис. 2.10).

Следует отметить, что создание широкодиапазонных перестраиваемых триодных генераторов представляет