Транзисторные генераторы свч

На частотах до 300 МГц транзисторные генераторы СВЧ реализуются, как правило, с использованием согласующих цепей (колебательных контуров) на сосредоточенных элементах. Поэтому схемы таких генераторов практически не отличаются от схем генераторов более низких частот. Транзистор включается по схеме с ОЭ.

На более высоких частотах транзисторные генераторы СВЧ чаще всего строят с использованием колебательных систем (контуров или цепей согласования) из отрезков несимметричных полосковых линий. Отрезки таких линий применяют для изготовления индуктивных элементов согласующих цепей на частотах выше 300 МГц и для реализации ёмкостных элементов – на частотах выше 1000 МГц. Генераторы строят как по схеме с ОЭ, так и по схеме с ОБ. При этом схема с ОБ рассматривается как более высокочастотная и более широкополосная (см. лекцию14). Выбор схемы ОЭ или ОБ часто определяется конструктивным оформлением транзистора. Транзисторные генераторы СВЧ обычно имеют двусторонний вариант конструкции.

На рис.17.13 показаны принципиальные схемы – упрощенные конструкции однотактных транзисторных генераторов СВЧ с изготовлением элементов согласующих цепей из отрезков линий.

Генераторы (рис.17.13,а,б) выполнены по схеме с ОЭ с использованием полосковых линий. В качестве блокировочных дросселей используются короткозамкнутые на одном конце четвертьволновые отрезки линий. Разомкнутые отрезки линий длинойℓ<λ/4 могут использоваться в качестве параллельно подключаемых емкостных элементов, как в схеме рис.17.13,б. Поэтому для транзисторных генераторов СВЧ часто применяется гибридное исполнение: берётся пластина высокочастотного диэлектрика (фторопласт, ситал, поликор, кварцевая пластина) толщиной 0,5…2 мм, так называемая диэлектрическая подложка, одна сторона которой полностью металлизируется, а на другой стороне с помощью методов фотолитографии, вакуумного напыления и гальванопластики формируются полосковые линии, составляющие электрическую схему генератора. Затем впаиваются транзистор и другие дискретные элементы: блокировочные и разделительные конденсаторы, имеющие специальную конструкцию. Выводы у таких конденсаторов выполняются в виде металлизированных площадок на корпусе, что уменьшает до минимума их индуктивности и позволяет легко соединять конденсаторы с другими элементами схемы.

На рис.17.14,апредставлена схема однотактного транзисторного генератора СВЧ с ОБ, элементы согласующих цепей которой полностью выполняются из отрезков полосковых линий. На рис.17.14,бпоказаны эскизы конструкции (топологии) элементов входной и выходной согласующей цепей из отрезков полосковых (микрополосковых) линий. Индуктивные элементы согласующих цепей выполняются из отрезков линий с узкими полосками, соответственно с большим волновым сопротивлением (до 80…100 Ом). Ёмкостные элементы согласующих цепей выполняются из отрезков линий с широкими полосками, соответственно с малым волновым сопротивлением (10…20 Ом). Небольшую регулировку (в процессе настройки генератора) индуктивностей в большую сторону и ёмкостей в меньшую сторону осуществляют уменьшением ширины линий. Для регулировки ёмкостей часто предусматривают небольшие ёмкостные площадки вблизи формируемой ёмкости, которые соединяют при необходимости добавляемыми перемычками с основной ёмкостью или отсоединяют соответственно. Для регулировки индуктивности отрезок соответствующей линии изготавливают с несколькими изгибами-петлями, закорачивая которые перемычками, можно уменьшать индуктивность.

Возможность реализации продольных индуктивных и параллельных ёмкостных элементов из отрезков линий следует из исследования формулы (12.3)⁹для входного сопротивления отрезка линии длинойℓ, нагруженного на сопротивление:

Если выполняется соотношение , то можно считать

Входное сопротивление представляет последовательное соединение нагрузки и эквивалентной индуктивности, величина которойL_ЭКВопределяется волновым сопротивлением линииZ₀и длиной отрезкаℓ:

Если ℓ< λ/8, соответственноβℓ < 45°, то можно считатьtgβℓ ≈ βℓ=ωℓ/υ. В этом случае

L_ЭКВ ≈ L_ПОГ ℓ = const.

То есть при относительно низком сопротивлении, нагружающем отрезок линии (формируется соответствующей частью цепи), большом волновом сопротивлении и короткой длине отрезок длинной линии эквивалентен практически сосредоточенной индуктивности L_ЭКВв широком интервале частот. Эквивалентная индуктивность включается в цепь последовательно.

Если выполняется соотношение , то можно считать

В этом случае входное сопротивление соответствует параллельному соединению нагрузки и эквивалентной ёмкости, величина которойС_ЭКВопределяется волновым сопротивлением линииZ₀и длиной отрезкаℓ:

Если ℓ< λ/8, соответственноβℓ < 45°, то можно считатьtgβℓ ≈ βℓ=ωℓ/υ. В этом случае

С_ЭКВ≈С_ПОГ ℓ=const.

То есть при относительно высоком сопротивлении, нагружающем отрезок линии (формируется соответствующей частью цепи), низком волновом сопротивлении и короткой длине отрезок длинной линии эквивалентен практически сосредоточенной ёмкости С_ЭКВв широком интервале частот. При этом эквивалентная ёмкость оказывается включенной в цепь параллельно.

Возможны также реализации последовательно включаемых индуктивных и ёмкостных элементов путём последовательного включения в цепь соответственно короткозамкнутых и разомкнутых отрезков длинных линий. При малой электрической длине отрезка βℓ < 45° величина эквивалентной индуктивностиL_ЭКВи величина эквивалентной ёмкостиС_ЭКВможет считаться практически постоянной в интересующем интервале частот и определяется приведенными выше выражениями. Параллельно подключаемая индуктивность реализуется подобно блокировочному дросселю во всех представленных выше схемах генераторов. Геометрическая длина короткозамкнутого отрезка линии в этом случаеℓ< λ/4 и зависит от волнового сопротивления линии и требуемой эквивалентной индуктивности. Параллельно подключаемая ёмкость может быть также реализована в виде параллельно подключаемого разомкнутого отрезка линии длинойℓ< λ/4, как показано на рис.17.13,б.

Следует отметить, что колебательные системы (согласующие цепи) транзисторных генераторов СВЧ по своей структуре аналогичны соответствующим цепям на сосредоточенных элементах, применяемым в транзисторных генераторах на более низких радиочастотах, где, как отмечалось,¹⁰наиболее часто используется П-контур. Отличие на СВЧ в том, что индуктивные и ёмкостные элементы соответствующей цепи реализуются на основе отрезков длинных линий.

Согласующие цепи широкополосных транзисторных генераторов обычно представляют многозвенные полосовые или квазиполосовые цепи.

Двухтактные транзисторные генераторы СВЧ строятся по аналогичным схемам с реализацией элементов согласующих цепей из отрезков линий. В нижней части диапазона СВЧ широко применяются двухтактные генераторы на трансформаторах линиях (ТЛ).¹¹

Межкаскадные связи и промежуточные каскады на СВЧ

Назначение межкаскадных связей в диапазоне СВЧ как и на высоких частотах: обеспечение необходимой мощности возбуждения каскада при требуемом напряжении или токе. Однако построение межкаскадных связей в диапазоне СВЧ часто существенно отличается от диапазона высоких частот. Это обусловлено тем, что каскады обычно находятся на некотором удалении друг от друга, которое на СВЧ сравнимо с длиной рабочей волны. Последнее обстоятельство заставляет вводить в цепь межкаскадной связи линию – фидер. Если электрическая длина фидера βℓ_Ф≤π/4, что имеет место при геометрической длине фидераℓ_Ф≤λ_Ф/8, гдеλ_Ф– длина волны в фидере, то можно не добиваться согласования фидера с входной цепью возбуждаемого каскада, так как при малой электрической длине фидера напряжение и ток вдоль него практически остаются без изменений. Елиβℓ_Ф>π/4, то естьℓ_Ф>λ_Ф/8, то необходимо обеспечивать согласование фидера с входной цепью возбуждаемого каскада, чтобы облегчить передачу требуемой мощности возбуждения.

Межкаскадные цепи СВЧ могут быть разделены на три вида:

1. Имеется контур в выходной цепи предыдущего каскада и во входной цепи последующего каскада;

2. Выходная цепь предыдущего каскада и входная цепь последующего каскада образуют один контур;

3. Имеется контур в выходной цепи предыдущего каскада, а во входной цепи последующего каскада контур отсутствует.

При наличии контуров во входной и выходной цепях генераторов и при условии близкого расположения каскадов цепь межкаскадной связи может быть построена с использованием связанных линий. В ламповых генераторах такая связь реализуется при использовании двухпроводных линий и симметричных полосковых линий с проводами круглого сечения между проводящими пластинами (поверхностями).¹²Двухпроводные линии применяются в двухтактных генераторах, а симметричные полосковые линии в однотактных генераторах. В случае транзисторных генераторов подобная связь может быть реализована при использовании несимметричных полосковых или микрополосковых линий. Однако практическая реализация такой связи в транзисторных генераторах неизвестна.

На рис.17.15 показана упрощенная реализация рассматриваемого вида связи в ламповых генераторах с контурами из отрезков двухпроводных линий (рис.17.15,а) и полосковых линий (рис.17.15,б). В случае полосковых линий длины контуров обычно делают одинаковыми. Для этого подбирают волновые сопротивления линий, соответственно и диаметры проводов, чтобы выполнялось условие:

С₀₁Z₀₁=С₀₂Z₀₂,

где С₀₁,С₀₂– сосредоточенные ёмкости входного и выходного контуров;Z₀₁,Z₀₂– волновые сопротивления линий.

Если каскады располагаются на некотором удалении, то контуры соединяют с помощью фидера, например, как показано на рис.17.16.

Фидер должен быть согласован со входным (катодно-сеточным) контуром, для чего необходимо, чтобы эквивалентное сопротивление входного контура, пересчитанное к концу фидера, было равно волновому сопротивлению фидера Z_0Ф. Необходимая величина сопротивления связиХ_СВ, реализуемая с помощью петли связиL_СВв примере рис.17.16, может быть найдена следующим образом.

Вносимое сопротивление из входного контура в фидер:

где r_КЗ – эквивалентное сопротивление входного контура, пересчитанное к короткозамыкателю. Величина его находится из соотношения:

где I_M– ток в короткозамыкателе;U_MC– амплитуда напряжения возбуждения, равная напряжению на входе контура со стороны подключения участка сетка-катод лампы:

Z₀– волновое сопротивление линии входного контура;- эквивалентное сопротивление входного контура с учётом входного сопротивления генератора (лампы).

Очевидно, согласно приведенным соотношениям,

тогда

откуда, учитывая, что должно быть R_ВН=Z_0Ф,

Чем меньше волновое сопротивление фидера Z_0Ф, тем проще осуществить элемент связи.

Связь с выходным (анодно-сеточным) контуром (в примере рис.17.16 – ёмкостная) рассчитывается из условия обеспечения на входе фидера со стороны контура требуемого напряжения возбуждения:

,

где P_ВОЗБ– требуемая мощность возбуждения.

Элементы связи фидера с контурами могут быть любыми: как разными, что отражено на рис.17.16, так и одинаковыми – либо ёмкостными, либо индуктивными (с помощью петель связи). Может быть применена кондуктивная связь как с одним из контуров, так и с обоими. Выбор элемента связи определяется удобством его реализации при заданных требованиях к генератору.¹³

Связь с помощью фидера между контурами в ламповых генераторах применяется в тех случаях, когда ёмкостная составляющая входного сопротивления возбуждаемого каскада меньше активной составляющей. Построение контура во входной цепи позволяет компенсировать ёмкостную составляющую входного сопротивления каскада и этим повысить его величину, что облегчает согласование фидера и передачу необходимой мощности. В транзисторных генераторах СВЧ подобная связь используется при модульном принципе построения, когда каждый каскад представляет отдельный модуль, на входе и выходе которого использованы линии или стандартные разъёмы 75 или 50 Ом (см. рис.17.14). Соединение каскадов-модулей осуществляется отрезками линий, изготавливаемых вместе с модулями, или отрезками кабелей при использовании внешних разъёмов.

Межкаскадная связь, когда входная и выходная цепи образуют один контур, широко используется в транзисторных генераторах. Структура связи такая же, как на сосредоточенных элементах. Пример реализации этого вида связи на СВЧ показан на рис.17.17.

На рис.17.18 показана реализация данного вида связи в ламповых генераторах. Схема применяется на фиксированной частоте или при ёмкостной перестройке, для чего вблизи анода устанавливается конденсатор переменной ёмкости. Однако схема более удобна для применения на одной частоте. Данный вид связи упрощает подведение питающих напряжений, уменьшает размеры и повышает жёсткость конструкции.

Рассмотренные виды межкаскадных связей неудобны в диапазонных ламповых генераторах, так как требуют регулировки при перестройке генераторов, особенно при связи выходного и входного контуров с помощью фидера. Транзисторные генераторы обычно широкополосные и регулировка связи не требуется.

В диапазонных ламповых генераторах часто применяют схему межкаскадной связи, когда входной контур отсутствует. Входная цепь лампы возбуждаемого каскада соединяется непосредственно с фидером через специальный конический переход, обеспечивающий плавный переход от лампы к фидеру. Схема такой связи показана на рис.17.19. По длине конического перехода сохраняется постоянное волновое сопротивление, равное волновому сопротивлению фидера связи Z_0Ф.

Схема применяется, когда ёмкостная составляющая входного сопротивления возбуждаемого каскада превышает активную составляющую этого сопротивления в параллельном эквиваленте. При такой связи питающий фидер часто оказывается не согласованным с входной цепью, что следует учитывать при расчёте. Связь с анодно-сеточным контуром может быть любая, удобная для реализации. В конструкции конического перехода предусматривается ввод для проводов питания накала, подачи смещения.