Схемы и конструкции ламповых генераторов свч

В метровом диапазоне волн применяют генераторы по схемам с общим катодом (ОК) и общей сеткой (ОС). При этом в длинноволновой части диапазона широко применяются двухтактные схемы с колебательными системами из отрезков двухпроводных линий.

На рис.17.6 показаны схемы упрощенных конструктивных реализаций двухтактных генераторов по схеме с ОК (рис.17.6,а) и с ОС (рис.17.6,б). Провода линий анодных контуров выполнены в виде труб, внутри которых осуществляется подводка анодного питания. Разделительные конденсаторыС_РА, выполняемые конструктивно, разделяют цепи по постоянному и переменному току. В генераторе с ОС провода катодного контура также выполнены в виде труб, внутри которых проходит один из проводов накала.

Для обеспечения устойчивой работы генератора с ОК часто используется нейтрализация действия проходной ёмкости С_АС. С этой целью в двухтактном генераторе вводятся в схему конденсаторы нейтрализацииС_НТР, ёмкость которых примерно равна межэлектродной ёмкостиС_АС. Через эти конденсаторы в сеточную цепь одной лампы подаётся напряжение с анода другой лампы, находящееся в противофазе с переменным напряжением, поступающим на сетку через проходную ёмкостьС_АС. Из-за относительно большой паразитной связи между контурами из отрезков двухпроводных линий часто приходится использовать нейтрализацию и в двухтактном генераторе с ОС. При этом конденсаторы нейтрализации присоединяются между анодами и катодами разных ламп. Ёмкости конденсаторов нейтрализации в этом случаеС_НТР≈С_АК.

На схемах (рис.17.6) показана кондуктивная связь с нагрузкой и возбудителем. Принципиально может быть использован другой вид связи: с помощью коротких витков, ёмкостная связь.⁷

На рис.17.7 показаны эквивалентные принципиальные схемы двухтактных генераторов рис.17.6. Роль блокировочных индуктивностей L_БЛв цепях анодов играют провода анодного питания, конструктивно проходящие внутри труб линии анодного контура.

Внешняя дополнительная блокировочная индуктивность при этом может отсутствовать. Аналогично в генераторе с ОС роль блокировочных индуктивностей в цепях катодов играют провода, подводящие накал к лампам и также конструктивно проходящие внутри труб линии входного контура. Блокировочная индуктивность в цепи сетки генератора с ОС может отсутствовать.

В верхней части метрового диапазона, а также в дециметровом и сантиметровом диапазонах волн в основном применяются однотактные генераторы по схеме с ОС. Колебательные системы, как правило, выполняют из отрезков коаксиальных линий с проводами в виде труб-цилиндров. При этом различают два варианта конструкции: двусторонний и односторонний. В случае двустороннего варианта отрезки линий входного и выходного контуров развёрнуты в разные стороны от лампы.

Упрощенный вариант двусторонней конструкции генератора с ОС показан на рис.17.8.

Недостатки двустороннего варианта конструкции: большие габариты по длине и трудность смены лампы. Достоинство: простота выполнения колебательных контуров. Двусторонний вариант используется в сравнительно маломощных генераторах из-за трудностей отвода тепла от лампы.

На рис.17.8 представлено катодное автосмещение, обеспечиваемое цепью С_КR_К. Возможно независимое смещение. Связь с нагрузкой генератора и возбудителем ёмкостная. Возможно осуществление кондуктивной связи или с помощью петли. В короткозамыкатели контуров входного (катодно-сеточного) и выходного (анодно-сеточного) встроены разделительные конденсаторы ёмкостьюС_КЗ.

Водностороннем варианте конструкции генератора входной и выходной контуры развёрнуты в одну сторону относительно лампы. Чаще используется вариант, когда контуры развёрнуты в сторону катода. Упрощенная конструкция такого варианта показана на рис.17.9.

Разделительный конденсатор С_Рв цепи анода, а также конденсаторыС_КЗв короткозамыкателе входного (катодно-сеточного) контура выполняются конструктивно. С нагрузкой использована ёмкостная связь, а с возбудителем с помощью петли связи. Принципиально возможен любой тип связи. Конкретный выбор связи определяется удобством реализации конструкции генератора в целом. Блокировочная индуктивность в цепи питания анодаL_БЛможет отсутствовать, так как контуры из отрезков коаксиальных линий являются самоэкранирующимися. Электромагнитная энергия в таких контурах из короткозамкнутых отрезков сосредоточена в пространстве между цилиндрами линии. В рассматриваемой конструкции генератора (рис.17.9) некоторое просачивание электромагнитной энергии наружу будет иметь место у разделительного конденсатораС_Ри у прижимных контактов внешнего цилиндра анодно-сеточного контура.

Односторонний вариант конструкции применяется в мощных генераторах, когда требуется принудительное охлаждение электродов лампы и в первую очередь анода. У мощных ламп СВЧ анод, как правило, завершается металлическим радиатором. В одностороннем варианте конструкции легче осуществляется смена лампы, однако колебательная система оказывается сложнее для изготовления, так как требуется соосно разместить три цилиндра, образующих линии контуров. Поперечные размеры колебательной системы и генератора в целом у одностороннего варианта больше, хотя продольные размеры могут оказаться меньше, чем у двустороннего варианта. В одностороннем варианте порой имеются трудности в осуществлении связи с одним из контуров, чаще всего со входным (катодно-сеточным). Проблемой является и создание пути для постоянного тока сетки I_С0, так как часто не удаётся выполнить конструктивно конденсатор требуемой ёмкости в короткозамыкателе катодно-сеточного контура. Иногда размещают разделительный конденсатор у катода, например, аналогичноС_Ру анода (рис.17.9). Применяется также выполнение сеточной трубы в виде трёх цилиндров, разделённых диэлектрической прокладкой (рис.17.10).

При использовании одностороннего варианта конструкции (рис.17.9) анодно-сеточный контур образуется двумя последовательно соединёнными отрезками линий, как показано на рис.17.11. Условие резонанса такого контура:

откуда

Найденное значение геометрической длины контура ℓможет быть увеличено на целое число полуволнnλ/2.

Размер ℓ_Аопределяется лампой. Еслиℓ_А= 0, то последнее выражение переходит в (12.8).⁸Что касается диаметров труб-цилиндров (проводов) линий, то в обоих вариантах конструкций генераторов они определяются диаметрами выводов соответствующих электродов лампы с учётом требуемых электрической и механической прочностей контуров. Диаметры цилиндров определяют волновые сопротивления соответствующих линий, от которых зависит длина отрезка и действующие параметры контура (см. лекцию 12). Геометрическая длина катодно-сеточного контура генератора по схеме рис.17.9 определяется по формуле (12.8).

Расчёт лампового генератора СВЧ чаще всего начинают с расчёта анодно-сеточного контура, определяя величину его ненагруженного эквивалентного сопротивления R_oe0. При этом для двустороннего варианта конструкции применимы соотношения лекции 12. Что касается расчётаQ₀иR_oe0контура рис.17.11 для одностороннего варианта конструкции, то подход к расчёту этих параметров аналогичен рассмотренному в лекции 12: определяются реактивная мощность и мощность потерь в контуре за период высокой частоты. Контур в этом случае образуется двумя короткозамкнутыми отрезками линий, соединёнными последовательно. К каждому отрезку применимы исходные выражения лекции 12.

После расчёта R_oe0и выбора КПД контураη_Копределяют ожидаемую величину нагруженного сопротивления контураR_oeН=R_oe0(1–η_К). Для выходных генераторов обычно принимаютη_К= (0,6…0,8), для промежуточных –η_К= (0,3…0,6). Расчёт режима генератора проводится исходя из найденного нагруженного эквивалентного сопротивления анодно-сеточного контураR_oeНпо методике лекции 7, пример 5 с учётом особенностей генератора с ОС (см. лекцию 14).

Очень часто металлокерамические триоды СВЧ работают практически без сеточных токов, когда заход в область положительных напряжений на сетке не допускается, и в этом случае параметр аппроксимированных ВАХ анодного тока S_КРне может быть использован для расчёта. Поэтому расчёт режима генератора, когда работа с сеточными токами не допускается, проводят, исходя из использования лампы по току, выбираяI_А0≤I_А0ДОП. Приняв рекомендуемое значение нижнего угла отсечки анодного тока для генератора с ОС, определяют значенияI_А1=I_А0β₁;U_{М АС}=I_А1R_oeН. Так как работать предполагается без сеточных токов, то должно бытье_{С МАКС}=U_МС–Е_С≤ 0. Если принятое_{С МАКС}= 0, тоU_МС=Е_С. Причём, если принят нижний угол отсечки анодного токаθ= 90°, тоЕ_С=Е ^/_С. В общем случае, исходя из принятых значенийе_{С МАКС}иθ, определяют значенияЕ_СиU_МС. ОпределивU_МС, можно найти значение амплитуды колебательного напряжения между анодом и катодом лампы:U_МА=U_{М АС}–U_МС. Необходимое напряжение источника анодного питанияЕ_А=е_{А МИН}+U_МА, гдее_{А МИН}определяется по статическим характеристикам анодного тока прие_С=е_{С МАКС}иi_А=I_МА, как показано на рис.17.12.

Колебательная мощность генератора

Если требуется при имеющемсяR_oeНполучить определённую мощность, то необходимое значение анодного тока

Необходимо, чтобы выполнялось условие I_А0≤I_{A0 ДОП}.

Амплитуду напряжения возбуждения можно также определить, используя выражение

а напряжение смещения определить из выражения

Необходимо, чтобы выполнялось соотношение