книги / Основы применения электронных приборов сверхвысоких частот
..pdfДействительно, |
анодный |
ток триода представляется |
|
в виде |
|
|
|
*а = |
/а о + |
U m COS Ш Ы , |
( 2 .2 6 ) |
|
1П=1 |
|
|
где /ао — постоянная составляющая тока; |
частоты /тш; |
||
/ат— переменная составляющая Тока |
|||
m =1.2, 3 ,... |
|
|
|
В свою очередь,
*'а = / ( £ / а , * /* ), |
( 2 .2 7 ) |
где Ua и Ug—(напряжение на аноде и напряжение сме щения на управляющей сетке триода.
Если в анодной цепи лампы (рис. 2.40) включен кон тур, то динамические характеристики триода и импуль сы анодного тока имеют вид, показанный на рис. 2.41 (случай пренебрежения частотными погрешностями). Известно [32, 33], что для данного случая коэффициенты
82
uHcoscut
Рис. 2.40. Принципиальная схема усилителя на триоде.
Рис. 2.41. Динамические характеристики и импульсы анодного тока триода.
G* |
83 |
разложений импульса анодного тока определяются вырь жеииями:
/ар __ |
1 |
sin 9 — 8 cos 8 |
|
|
||
ia маис |
П |
|
1— COS 0 |
’ |
|
|
|
/ai |
|
1 |
29 "-! sin 28 |
|
|
1 |
«а макс |
|
2п |
1—COS 0 |
’ |
(2 28) |
2 |
sin п 0 cos 0 — п cos п 0"sin О |
|
||||
1Г |
л(«* — 1)(1 — cos 0) |
|
|
|||
где 0 — угол отсечки; |
|
|
|
|
|
|
/1 = 2,3, ... |
|
|
|
|
|
импульсов |
Зависимость коэффициентов разложения |
анодного тока от угла отсечки может быть определена по графикам ('рис. 2.42) или по табл. Берга [33].
Рис. 2.42. Графики зависимости коэффициентов разложения импульса анодного тока от угла отсечки.
Из приведенных графиков видно, что при определен ных углах отсечки или значениях напряжения смещения на управляющей сетке могут быть получены наиболее благоприятные условия для построения усилителя на ча стоте сигнала, подаваемого на вход триода.
84
При 'включении в анодную цепь контура, настроенно го на вторую, третью или более высокую гармонику, и соответствующим подбором угла отсечки" возможно построение эффективного удвоителя, утроителя или умножителя с высокими кратностями частот.
Тетроды СВЧ
Формируя электронные потоки в виде -пучков, мож но разработать лампы с управляемым пространствен ным зарядом, рассчитанные на очень большие мощности.
Формирование подобных электронных потоков удач но разрешается при использовании ламп типа лучевых тетродов. Форма и расположение катода, управляющей сетки, экранирующей сетки и анода выбираются таким образом, чтобы как можно лучше сформировать элек тронный поток в пучки и обеспечить наилучшую связь электродов с колебательными контурами. Внесение .кон тура в лампу позволяет приблизить пространство взаи модействия к электронному потоку. Такое объединение, а также достижение малых углов пролета между экра нирующей сеткой и анодом (за счет ускорения электро нов в пространстве между управляющей и экранирую щей сетками) позволяют получить высокие значения коэффициента полезного действия.
В усилительных схемах с общей сеткой более высо кие результаты по сравнению с триодами получают на тетродах СВЧ. В схемах на тетродах СВЧ достигается более широкая полоса пропускания при высоких значе ниях усиления по мощности и несколько меньшем анод ном напряжении. Одновременно улучшается развязка между входными и выходными контурами.
Предельная частота триодов и тетродов согласно рас четным данным почти одинакова. Однако практически по минимально достигнутым значениям длины волны тетроды уступают триодам из-за более сложной кон струкции. Поэтому тетроды преимущественно исполь зуются в генераторах и усилителях на более длинных волнах по сравнению с триодами при повышенных уров нях мощности. Некоторые данные о промышленных об разцах отечественных тетродов СВЧ были приведены в § 2.1.
Остановимся несколько подробнее на тетродах СВЧ, выпускаемых зарубежными фирмами для больших уров
85
ней мощности. Интересными в этом отношении являют ся лампы фирм Eimac (США) и Tomson Houston (Франция), данные о которых приведены в табл. 2.7[37].
|
|
|
Т а б л и ц а |
2.7 |
Металло-керамические |
тетроды СВЧ для усилителей |
и |
||
|
генераторов |
|
|
|
Тип тетрода |
Частота; Мгц |
Мощность, |
Особенности применения |
|
вт |
||||
4СХ300А |
500 |
300 |
Вибропрочный |
|
4СХ150 |
1 000 |
150 |
Вибропрочный |
|
6007 |
1 000 |
400 |
_ |
|
ТН6942 |
1000 |
1000 |
К.п.д. 65% |
|
ТН290 |
400 |
10 000 |
Предельная частота |
|
|
|
|
1 000 М щ |
|
Для уровней средней мощности свыше десятков ки ловатт становится важным вопрос о коэффициенте по лезного действия, высокие значения которого достига ются путем специальной конструкции тетрода и контура, а также выбором «питающих напряжений. Так, с целью уменьшения времени пробега электронов между элек тродами на экранирующую сетку тетрода подается по стоянное напряжение, равное анодному напряжению. Одновременно это упрощает конструкцию генератора, избавляя схему от блокировочного конденсатора межд> анодом и экранирующей сеткой.
Ослабление вредного влияния бомбардировки элек тродов электронами электронного потока и за счет вто ричной эмиссии достигается выбором конфигурации электродов и расстояния между ними.
В этом случае, применяя методы, расчета электрон ной оптики, удается электронный пучок сформировать в виде лучей и эффективно использовать электронные
процессы в |
лампе |
для получения высоких значе |
ний к.п,д. |
|
|
К числу |
подобных |
генераторов относятся резнатро |
ны, представляющие собой единую цельнометалличе скую конструкцию тетродного генератора (рис. 2.43). Резнатроны, рассчитанные на сверхбольшие уровни мощности, являются большими по размерам электрова куумными приборами (высота достигает 1 м).
86
Зкранирующая сетка
Управляющая сетка
О
Стержни накала.
4
Рис. 2.43. Схематическая конструкция резнатрона D продольном (а) и попереч ном (5) сечениях.
Большой объем лампы не позволяет длительное вре мя сохранять вакуум должной величины, поэтому резна троны используются в работе при непрерывной откачке. Это позволяет делать резнатроны разборными, менять отдельные элементы прибора по мере их выхода из строя (вольфрамовые стержни накала, электроды, экра нирующей и управляющей сеток).
87
Опубликованные данные свидетельствуют о том, что резнатроны могут использоваться в режиме непрерыв ных и импульсных колебаний с уровнем средних мощ ностей до 100—150 кет.
Например, имеются конструкции резнатронов с от даваемой мощностью порядка 100 кет в непрерывном режиме в диапазоне 350—650 Мгц при анодном напря жении 10—16 кв и анодном токе 6— 10 а• Коэффициент полезного действия подобного резнатрона достигает 60%.
Таким образом, принципиально один и тот же триод или тетрод может быть использован в качестве усили теля, умножителя и автогенератора. Конечно, выбор ре жима и конструктивное выполнение контуров и их со пряжения с лампой в диапазоне сверхвысоких частот представляют известные трудности. Для предельных частот, оговоренных техническими условиями, использо вание триодов и тетродов мало эффективно и рекомен дуется применять другие виды приборов.
При возникновении потребности повышения выход ной мощности сверх допустимого предела для выбран ного типа триода -или тетрода может быть использовано включение в параллель нескольких ламп, работающих на один контур. Подобный способ легко реализуется на низких частотах. В диапазоне СВЧ возникают большие трудности в сопряжении лампы с контуром, поэтому мо жет быть йспользовано включение в параллель несколь ких триодных или тетродных генераторов с отдельными
контур амй,“ работающими |
на одну нагрузку (антенну), |
по .принципу сложения |
мощностей, реализованному |
А. Л. Минцем при проектировании 500-/саг передатчика радиостанции «Коминтерн» еще в 1932 г.
Заканчивая рассмотрение ламп с сетками для диа пазона СВЧ следует подчеркнуть, что тенденции их раз вития, как показывает анализ литературных данных, связаны с дальнейшими поиоками возможностей укоро чения длины волны, наращиванием мощности, повыше нием коэффициента полезного действия, сокращением габаритов, повышением теплостойкости, механической прочности и срока службы.
Подобными примерами могут служить разработан ные за последние годы сверхмощные доеталло-керамиче- ские триоды для импульсного и непрерывного режимов работы на уровни мощности до 5— 10 Мет в импульсе
при длительностях импульсов до 200—2000 мксек\ серии ламп малой мощности карандашного типа—:на частоты 6000—7000 Мгц; приемные лампы типа «нувисторов»— на частоты до 1000 Мгц.
Стабильность работы и срок службы ламп в пронессе эксплуатации в значительной степени зависят от эф фективности охлаждающих систем. Для сверхбольших уровней мощности охлаждение электродов осуществ ляется с помощью жидкостей или пара. Для ламп ма лой мощности преимущественно применяется принуди тельное воздушное охлаждение или естественное охлаж дение за счет конвективного теплообмена, теплопровод ности или теплоизлучения. Как правило, современные лампы СВЧ конструируются с использованием высоко температурных керамик, тугоплавких спаев и выводов электродов, обеспечивающих не только хороший элек трический, но и тепловой контакт с элементами контуров
ивводов от источников питания.
Вряде случаев для получения высокой надежности
ихороших электрических параметров в триодных и тетродных генераторах СВЧ применяются внутренние ре зонаторы-
Например, фирма RCA [38] разработала триод сверх большой мощности с внутренним резонатором, получив ший название коакситрона. Данный прибор рекомен дуется фирмой к использованию в широкодиапазонных радиолокационных станциях, многоканальных системах связи и для других применений, где важно изменение
частоты |
от |
импульса к импульсу. Коакситрон |
типа |
|
А-15038 |
является усилителем, рассчитанным 'на |
диапа |
||
зон 385—465 |
Мгц при уровне мощности свыше 5 Мет |
|||
в импульсе, |
к. п. д. |
<-'43%. Характерная особенность |
||
коакситрона |
связана |
с высокой равномерностью выход |
ной мощности (не более 3 дб в указанном диапазоне) при коэффициенте усиления 13 дб. В приборе приме няется низкотемпературный матричный оксидный катод, обладающий высокой эмиссионной способностью и эф фективностью и обеспечивающий большой срок службы.
Отмеченные выше лампы карандашного типа и нувисторы фирмы RCA предназначены для мйниатюрного оборудования и применяются в самолетных станциях, в аппаратуре спутников и других портативных устрой ствах. Эти лампы обеспечивают устойчивую работу без
89
герметизации на высотах 30000 м при Температуре бал лона до 225° С. Лампы карандашного типа 7552 и 7554 обладают высокой экономичностью, быстрым разогре вом (за 12 сек анодный ток достигает 90% номинально го значения) и высокой тепловой стабильностью, (при изменении напряжения накала на ±10% выходные па раметры практически не изменяются). Малые размеры ламп (длина 40 мм и наибольший диаметр ~ 1 4 мм), консольное расположение электродов обеспечивают вы сокую устойчивость ламп к .вибрационным и ударным воздействиям, а также к акустическим шумам. Металло керамическая конструкция ламп по сравнению с метал-' ло-стеклянной делает лампу более устойчивой -к радио активным излучениям [41].
В ряде случаев для уменьшения времени разогрева ламп уменьшают тепловую инерцию катода и приме няют электроды специальной конструкции. Так, фир мой Machlett разработан триод ML-7855 на частоту 2500—3000 Мгц, имеющий специальную конструкцию анода, обеспечивающую стабильность частоты порядка 1 Мгц в течение 10—15 сек после включения высокого напряжения [39].
Возможности применения триодов СВЧ для техники связи и телевидения в Ъ-см диапазоне волн рассмотрены в работе [40], где показано, что практические конструк ции триодов СВЧ для маломощных устройств могут быть выполнены в диапазоне длин волн 2,5—3 см. Это совпадаете расчетными данными, приведенными в § 2.1.
Сказанное выше свидетельствует о широких возмож ностях применения триодов СВЧ в качестве усилителей,
автогенераторов, умножителей |
частоты, |
преобразовате |
||
лей, а также |
для детектирования сильных сигналов |
|||
в системах с амплитудной и |
частотной |
модуляцией и |
||
в качестве ограничителей сигналов |
по амплитуде. |
|||
|
Л И Т Е Р А Т У Р А |
|
|
|
'1. Д е в я т к о в |
Н. Д., Д а н и л ь ц е в |
Е. 'Н. и Х о х л о в В. К |
Трехэлектродные лампы для генерирования электромагнитных волн дециметрового диапазона. «Известия электропромышленности слабо го тока», февраль 1940, № 2.
(2. |
Д |
е в я г к о в |
Н. Д ., |
Г у р е в и ч М. Д . |
м |
X |
о х л о «в В. |
К. |
Металлический триод для У.ВЧ. ЖТФ, август |
1941, |
т. 11. |
децимет |
|||||
3. |
|
А н д р и е в с к и й |
М. Н. Конструкции |
генераторов |
||||
ровых |
и |
метровых |
волн. Оборонгиз, 1956. |
|
|
|
|
90
4. |
Д е н и с о в |
И. Д . |
Радиопередающие |
устройства. |
Курс лек |
|||
ций, ч. 1 и 2, |
ВВИА им. проф. И. Е. Жуковского, 1954 и |
1955. |
||||||
5. |
И .в a iHо в А. Б., |
С о с.и о в кии |
Л. Н. «Импульсные передат |
|||||
чики СВЧ. Изд-во «Советское радио», 1956. |
|
|
||||||
6. |
Н и к о л ь с к и й |
В. Е. Влияние |
времени пробега. электронов. |
|||||
«Электросвязь», 1938, № 5 |
|
|
|
|
||||
7. К о т о |
м и н а |
Л. А. О 'предельных длинах волн, |
генерируе |
|||||
мых триодом. «Радиотехника», 1948, № 1. |
|
|
||||||
8. |
B o n d |
l e y |
R. J. Temperature’ Limition |
of Planar Grids. Proc. |
||||
Fourth |
Nat. |
Conference |
on |
Tube Techniques, |
September, |
1958. |
9.Electronics, I960, April 8, № 16, p. 70.
10.Tounte la Radio, 1960, Mai, p. 181.
14. |
M a n f r e d |
i R. |
A |
V.HF Metall-Ceramic Planar |
Tetrode, |
Fourth. |
Nat. Conference |
on |
Tube |
Techniques, 1958, September, |
10, |
11, 12. |
Electronics, 1960, |
March 25, № 13, p. '120. |
|
||
12. |
|
10:Elektronisclie Rundschau, 1960, № 3, p. 404..
14.Toute la Radio, 1960, Jiuii, p. 228.
15. Н е й м а н |
M. |
С. |
Стабилизация |
частоты. в |
(радиотехнике, |
|||||||
1937. |
|
В. |
И. |
Электроника. |
Физматгиз, |
|
1960, |
ч. |
II, |
|||
16. Г а п о н о в |
|
|||||||||||
стр. 1155—187. |
А I b с 11. |
I I. |
Berechnung |
des |
Wirkungs |
grade |
und |
|||||
17. V a n |
||||||||||||
der Dampfung |
von |
Diodengleichrichtem, Funk |
und Ton, |
Bd. 6, |
1952, |
|||||||
№ 9. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
18. S t i e t z с 1 |
I I. |
Die |
UKW—Mefldiode |
EA-52, |
Elektronische |
|||||||
Rundschau, 1956, № 2. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
19. C u b a s c h |
F. |
Spezialrohren Eigenschaften |
und |
Anwendun- |
||||||||
gen, 1960. |
|
|
|
|
|
|
англ, |
под |
ред. Брах |
|||
20. Техника сверхвысоких частот. Пер. с |
мана Т. Р., ч. 11. Изд-во «Советское радио», 4953.
2 1 . |
'К а л и и и «и |
В. |
«И. |
Генерирование |
дециметровых и санти |
||||
метровых волн. Овязьиздат, 4948. |
|
tubes—an |
introductory Rekiw |
||||||
«22. Н а г v е у |
A. |
F. |
Microwave |
||||||
with bibliography. The |
Institution |
of Electrical Engineers, Monograph, |
|||||||
Sept., 1959, № Э4В, p . |
2 9 -5 9 . |
|
|
|
|
||||
23. M й 11 e r |
O. |
|
Buckblick auf die ' Spezialrohren—entwicklung |
||||||
der deu'tsohen FunkmeB-unid |
Dezimeerwellentedmik, Frequenz,. 1962, |
||||||||
Bd. 16, № B. |
|
|
|
IO. Б. Зависимость частоты генератора от |
|||||
124. К о б з а р е в |
|
||||||||
его режима. ««Вестник электротехники», |
1931, № W. |
||||||||
(25. Ш е м б е л ь |
Б. .К. Стабилизация частоты радиопередающих |
||||||||
устройств, Овявьиздат, 4934. |
|
|
|
|
26.Г р о ш к о в с к и й Я. Генерирование высокочастотных коле баний и стабилизация частоты. Изд-во иностранной литературы, 4963.
27.Ш и т и к о в Г. Т. Влияние емкостипространственного за ряда и .нелинейности ламповой характеристики на частоту автоге
нератора. «Радиотехника», 1955, № 42.
*28. Б ы ч к о в 1C. И., Б у р е й и н Н. И., С а ф а р о в Р. Т. Стабилизация частоты генераторов СВЧ. Изд-во «Советское радио»,
1962.
«29. «Ней1м а н М. С. Триодные н тетродные генераторы сверх
высоких частот. Изднво «Советское радио», 4950.
91