Особенности работы генераторов СВЧ

В диапазоне метровых и сантиметровых волн генераторы высоко­частотных колебаний имеют ряд особенностей, которые обусловлены слиянием нескольких причин.

Влияние межэлектронных емкостей и индуктивностей выводов лампы

Поверхность электродов лампы образуют межэлектродные емкости C_аg, C_ак, C_gк. Выводы обычных ламп штырьковые, а любой проводник обладает индуктивным сопротивлением. Следовательно, в лампе имеются индуктивности выводов катода, анода и сетки. Поэтому на сверхвысокой частоте лампу можно представить эквивалентной схемой, показанной на слайде 37.

Если выводы электродов лампы со­единить как показано на рисунке, то получится колебательная система. На некоторой частоте, которая называется критической, в схеме будут выпол­няться условия самовозбуждения, и лампа (без внешней колебательной си­стемы) становится генератором СВЧ. Например, лампа имеет эквивалентную емкость С = 10 пФ и L= 0,016 мкГн.

Очевидно, что эта лампа для более высоких частот не пригодна, так как при подключении внешнего контура резонансная частота будет ниже.

Кроме того, межэлектродные лампы на СВЧ имеют малые сопротив­ления, поэтому через них протекают большие емкостные токи, которые вызывают разогрев баллона лампы и выводы электродов, что приводит к растрескиванию баллона и выходу лампы из строя. Например, C_ак=4пФ на частоте 1000 МГц ( λ=30 см) имеет сопротивление 40 Ом, если к ней приложить напряжение 40 В, то возникает ток 1 A. Ёмкостные токи также приводят к дополнительным потерям энергии.

Пути устранения:

- применяют электроды лампы специальной конструкции;

- выводы электродов выполняют дисковыми (уменьшается индук­тивность выводов);

- изготовлять баллоны ламп из высокопрочных диэлектриков.

Влияние энергии электронов

Электрон имеет массу, поэтому для пролета между электродами лампы ему требуется время порядка (10^-8...10^-10) с. При длине волны 1 м период колебаний составляет 3,3*10^-9 с, т.е. соизмерим со вре­менем пролета электронов. Инерция электронов в лампе создает вред­ные фазовые сдвиги, которые в свою очередь приводят к ухудшению амплитудных условий самовозбуждения и уменьшению выходной мощнос­ти генератора.

Пути устранения:

- увеличение анодного питания лампы;

- уменьшение межэлектродных расстояний.

Противоречие - увеличиваются межэлектродные емкости - выбор из оптимальных условий.

Потери энергии в лампах

3.Потери в лампах происходят вследствие поверхностного эффекта, так как в этом случае увеличивается активное сопротивление элек­тродов и их выводов. По поверхности металлических проводников проходят значительные токи, которые создают бесполезный нагрев.

На сверхвысоких частотах увеличиваются потери в диэлектриках, находящихся под воздействием переменного электрического поля.

Потери энергии в лампах ухудшают КПД генераторов, создают чрезмерный нагрев ламп и резко снижают добротность колебательных контуров. Обеспечение высокой добротности колебательной системы достигается путем применения в качестве колебательных систем от­резков короткозамкнутой линии или объемных резонаторов.

Для диапазона СВЧ разработаны специальные маячковые и металлокерамические лампы. Конструкция этих ламп показана на слайде 38.

Металлокерамические лампы с цилиндрическими выводами позволяют сочленять их в единую конструкцию с элементами колебательных систем без каких-либо проводов или сочленений. В большинстве слу­чаев металлокерамические лампы нуждаются в принудительном охлажде­нии.

Третий учебный вопрос.

Генератор метровых волн

Генераторы метровых волн имеют ряд особенностей, позволяющих выделить их в особую группу. В настоящее время в генераторах мет­ровых волн используются лампы специальной конструкции (маячковые или металлокерамические). В них инерция электронов проявляется сла­бо и ею можно пренебречь, но межэлектродные емкости и индуктивнос­ти выводов входят в состав колебательной системы генератора. Обычно генераторы метровых волн собирают преимущественно по трехточечным схемам. Общий электрод в этих схемах, как правило, заземляется. На волнах 6...10 м колебательная система выполняется большей частью в виде системы из катушки индуктивности и конденсатора, а на вол­нах, короче 6 м, - из отрезков двухпроводных короткозамкнутых ли­ний. Внешняя часть колебательной системы обычно состоит из двух ко­лебательных контуров, а в качестве третьей реактивности использу­ются межэлектродные емкости (слайд 39).

В схеме с общим катодом (рис. 5.12, а) наивысшая частота генерируемых колебаний ниже, чем в схемах с общим анодом или общей сеткой (рис. 5.12, б, в). Кроме того, в схеме с общим катодом невоз­можна раздельная регулировка частоты и обратной связи, так как коэффициент обратной связи в разной степени зависит от обоих внеш­них сопротивлений. Поэтому на СВЧ наиболее распространена однотактная схема генераторов с общей сеткой.

Примечание. Продемонстрировать рис. 5.13 (слайд 40),

на котором изображен двухконтурный генератор с общей сеткой, и путем опроса студентов выяснить характер сопротивления контуров х_ад и х_дк.

Принципиальная схема одного из автогенераторов метрового диа­пазона волн показана на слайде 41).

Для преподавателя. При изучении генератора метровых волн акцентировать внимание студентов на принципы построения трехточечных генераторов : схема с общим катодом – это индуктивная трехточка, а схемы с общим анодом и сеткой – емкостные трехточки.

В качестве усилительного элемента автогенератора используется триод с дисковыми выводами и катодом прямого накала.

Колебательная система генератора образована системой из кон­центрических коаксиальных линий, которые с одного конца сопрягают­ся с выводами ламп, а с другой стороны замкнуты по высокой частоте подвижными плунжерами.

Колебательная система состоит из :

- анодно-сеточного контура (АСК);

- сеточно-катодного контура (СКК);

- катодного контура (КК).

Длина линии анодно-сеточного контура (1/2)λ<l_аск< (3/4)λ., т.е. имеет индуктивный характер.

Длина сеточно-катодной линии выбрана λ/4, но совместно с межэлектродной емкостью сетка - катод имеет емкостной характер. Ка­тодный контур выравнивает потенциалы катода по высокой частоте и не влияет на работу генератора. Настройка автогенератора на задан­ную частоту производится путем изменения длины анодно-сеточного контура с помощью плунжера.

Регулировка коэффициента обратной связи осуществляется изме­нением положения плунжера сеточно-катодного контура. Общая точка анодно-сеточного и сеточно-катодного контура заземлена, т.е. автогенератор собран по схеме с общей сеткой.

В качестве реактивности, включаемой между анодом и катодом, используется межэлектродная емкость. Таким образом, автогенератор собран по схеме емкостной трехточки с общей сеткой. Эквивалентная схема показана на слайде 42.

Энергия СВЧ колебаний от генератора к антенне передается через индуктивную связь фишки L_св и коаксиальную линию. При изме­нении (перестройке) частоты генератора настройка связи осуществля­ется путем перемещения фишки связи и плунжера коаксиальной линии.

Внешний цилиндр колебательной системы обычно заземляется. В этом случае между цилиндром и анодом лампы включается разделитель­ный конденсатор С_р.

Анодное напряжение Е_а через дроссель высокой частоты L_gр подводится к радиатору лампы, конструктивно соединенную с её анодом.

Накал лампы осуществляется переменным напряжением, подводимым через катодный контур, ёмкости С₂ замыкают катодные трубы по высо­кой частоте.

Смещение на сетку задается автоматически с помощью цепочки R_g,С_g за счет сеточных токов. Емкости сеточно-катодного плунжера С_I - разделительные (замыкают токи высокой частоты на катод, а постоянная составляющая сеточного тока протекает через R_g ).

В импульсном режиме мощность триодных генераторов СВЧ может достигать нескольких мегаватт. КПД сравнительно невысок (до 50 ⁰/₀). Стабильность частоты высокая.

ВЫВОД

I. Генераторы высокой частоты работают на принципе поддержа­ния незатухающих колебаний в колебательной системе за счет энергии источников питания.

2. Для получения незатухающих колебаний в автогенераторе дол­жны выполняться условия баланса фаз и амплитуд.

3. В диапазоне метровых волн используются двухконтурные гене­раторы СВЧ на лампах специальной конструкции и с колебательной си­стемой из отрезков длинных линий.

Заключительная часть

- Вывод по занятию;

Достигнуты учебные цели;

- Вопросы для контроля усвоения материала

1. Принцип работы генератора.

2. Типовые схемы автогенератора.

3. Условия самовозбуждения.

4. Назначение кварцевых генераторов.

5. Особенности генераторов метровых волн..

Задание на самоподготовку:

Изучить принцип работы автогенераторов высокой частоты, условия самовозбуждения, построение типовых схема автогенераторов, особенности кварцевых генераторов и генераторов метрового диапазона волн.

Уметь по одной заданной реактивности строить типовые схемы автогенераторов.

Литература. Левичев В.Г. Радиопередающие и радиоприемные устройства.С. 6-18, 53-92.

Окончание занятия;

Руководитель занятия: