2.2. Работа триода на свч

Анализ влияния времени пролета электронов существенно за­висит от соотношения амплитуд переменных и постоянных напря­жений на электродах.

Если амплитуда переменного напряжения много меньше по­стоянного напряжения, говорят о режиме малых амплитуд, если обе величины сравнимы, имеет место режим больших амплитуд.

В режиме малых амплитуд время пролета электронов опреде­ляется постоянным напряжением на электродах, а пространствен­ный заряд в области катод-сетка такой же, как в статическом ре­жиме. Это позволяет создать сравнительно простую теорию элек­тронных ламп СВЧ в режиме малых амплитуд.

Теоретическое рассмотрение схемы с общим катодом позво­ляет сделать вывод, что время пролета электронов можно учесть введением комплексной крутизны лампы и активной входной прово­димости.

Модуль комплексной крутизны равен отношению амплитуды переменного тока в анодной цепи к амплитуде переменного напря­жения на сетке, а её фазовый угол показывает отставание анодно­го тока от сеточного напряжения. С увеличением времени пролёта фазовый сдвиг растёт, а модуль крутизны уменьшается. Появле­ние активной проводимости связано с тем, что из-за существова­ния наведенного тока в цепи сетки появляется составляющая се­точного тока, совпадающая по фазе с переменным напряжением на сетке. В схеме с общим катодом входная проводимость примерно пропорциональна квадрату частоты.

Режим малых амплитуд характерен для усилителей слабых сигналов и генераторов с низким значением КПД.

Режим больших амплитуд используется в мощных усилите­лях и генераторах. В настоящее время маломощные электронные лампы СВЧ полностью вытеснены полупроводниковыми прибора­ми СВЧ, и поэтому далее пойдет речь только о режиме больших амплитуд, который будет рассмотрен на примере схемы включе­ния триода (Рис. 2.2) с помощью пространственно-временных ди­аграмм (Рис. 2.3).

Рис. 2.2 Рис. 2.3

На Рис. 2.3 показаны: z - координата электрона, отсчитыва­емая от катода (Рис. 2.2.), t - время, - напряжение на сетке, и - наведенные токи в промежутках катод-сетка и сетка-анод, , и т.д. показывают различные моменты вылета элект­ронов с поверхности катода.

Будем считать, что управляющая сетка настолько густа, что потенциал анода не вызывает появления электрического поля в пространстве катод-сетка и движение электронов в лом простран­стве определяется только напряжением сетки. Напряжение на сетке проходит через нулевое значение в моменты и . Электрон, вылетевший из катода в момент , будет у сетки в момент и у анода в момент . На анод будут попадать также те из последую­щих электронов, которые подлетают к сетке с некоторой скоростью. Электрон, подлетевший к сетке с нулевой скоростью в момент , повернет назад к катоду. Как только первый электрон в момент времени начнет движение от катода к сетке, во внешней цепи катод-сетка появится наведенный ток , текущий в этой цепи от катода к сетке. Этот ток возрастает по мере увеличения числа электронов в промежутке катод-сетка, достигает своего макси­мального значения и убывает в связи с уменьшением скорости элек­тронов и изменением её направления. В некоторый момент време­ни он равен нулю, а затем меняет своё направление на противопо­ложное из-за возвращения электронов к катоду.

Наведенный ток во внешней цепи промежутка сетка-анод ( ) появляется в тот момент, когда электроны начинают посту­пать в этот промежуток. Этот ток также растет, достигает макси­мального значения и убывает до нуля к моменту времени , когда последний электрон достигнет анода.

Приведенное качественное рассмотрение показывает, что если время пролета электронов сравнимо с периодом переменного на­пряжения на электродах лампы, то наведенный ток становится не­симметричным по форме и имеет отрицательный выброс. Импульс наведенного тока не повторяет формы сеточного напряжения и за­тягивается по времени, снижая амплитуду первой гармоники анод­ного тока. Последнее приводит к снижению полезной мощности в нагрузке.

В тетроде на экранирующую сетку подаётся положительное на­пряже­ние, сравнимое с анодным. Поэтому электроны, прошедшие через управляющую сетку, ускоряются в межсеточном промежут­ке, и полное время пролета до анода уменьшается. Импульс анодно­го тока при этом менее растянут, а КПД выше, чем в триоде.

Триоды и тетроды СВЧ применяются в основном в выходных каскадах передатчиков в качестве генераторов и усилителей сред­ней мощности.

Требование уменьшения времени пролета электронов в лам­пах СВЧ не является единственным. Необходимо также умень­шать междуэлектродные ёмкости, индуктивности вводов и диэлектрические потери в элементах лампы. Поэтому на СВЧ применя­ются триоды с дисковыми выводами: маячковые и металлокерамические. Дисковые выводы становятся частью колебательной системы, которая выполняется в виде объёмных резонаторов. Рас­стояние между электродами лампы доходит до десятых долей мил­лиметра. Диэлектрические потери в междуэлектродных изолято­рах уменьшаются благодаря применению высокочастотной кера­мики с малыми диэлектрическими потерями. Для корпуса ламп вместо стекла также используется специальная керамика. Совре­менные миниатюрные триоды СВЧ разработаны на частоту до 10 ГГц, но имеют небольшую мощность и низкий КПД. В качестве мощных ламп применяются триоды с водяным или воздушным ох­лаждением анодов, имеющие специальную конструкцию, в кото­рой учтены требования, предъявляемые к лампам СВЧ.

Триодные и тетродные генераторы СВЧ обладают такими дос­тоинствами (по сравнению с другими генераторами СВЧ), как срав­нительно низкие питающие напряжения, отсутствие устройств фоку­сировки электронного потока, достаточно высокий КПД, сравнитель­но высокая стабильность частоты и фазы, сравнительно низкая сто­имость. Но основным их недостатком является быстрое падение мощ­ности с ростом частоты. Поэтому в основном они используются на частотах до 2 ГГц.