книги из ГПНТБ / Пахлавян, А. Н. Радиопередающие устройства учебник

связь в ряде случаев бывает недостаточной, поэтому применяются дополнительные цепи обратной связи.

В одноконтурном автогенераторе рис. 7.23а, электрическая схе­ ма которого аналогична рис. 7.206, создана цепь дополнительной емкости обратной связи, регулируемой перемещением диска (ССв) в направлениях, указанных стрелками. На рис. 7.23б показан эскиз конструктивного выполнения двухконтурного автогенератора при двустороннем расположении контуров. Цепь дополнительной об­ ратной связи осуществляется через внешнюю коаксиальную ли­ нию — петлю. Изменяя длину петли и величину емкости связи Ссв, возможно регулировать модуль и фазу коэффициента обратной связи. На более высоких частотах дополнительная обратная связь может быть образована через щели в стенках коаксиальных кон­ туров, например в трубе сетки.

Рис. 7.23. Эскизы конструктивного выполнения:

В схемах на металлокерамических лампах с подогревным като­ дом заземлять среднюю точку вторичной обмотки трансформатора

m

накала нельзя. Это приводит к короткому замыканию либо в цепи

•накала, либо в цепи 'смещения, так как катод и нить накала имеют общую точку (см. рис. 7.22).

7.8. СХЕМЫ ТРАНЗИСТОРНЫХ АВТОГЕНЕРАТОРОВ

Задающие автогенераторы на транзисторах нашли при­ менение в возбудителях современных радиопередатчиков благо­ даря экономичности, долговечности, надежности и компактности схемы.

Простые схемы одноконтурных автогенераторов на транзисто­ рах при стабилизации питающих напряжений и правильном выбо­ ре режимов обеспечивают устойчивость частоты и амплитуды ко­ лебаний не хуже, чем ламповые. Компактность схемы и малые уровни рассеиваемой транзистором мощности позволяют помещать схему целиком в термостат малых размеров и получать нестабиль­ ность частоты колебаний порядка 10-5.

Классификация и построение принципиальных схем транзистор­ ных автогенераторов аналогичны ламповым схемам. Выполнение амплитудных и фазовых условий самовозбуждения в этих автоге­ нераторах имеет особенности вследствие инерции носителей тока в транзисторе, так как это приводит к более 'сложным зависимо­ стям из-за существующих фазовых сдвигов. Условие баланса ам­ плитуд выполняется при выборе достаточного коэффициента об­ ратной связи К, который просто обеспечивается благодаря высо­ кому коэффициенту усиления схемы с транзистором.

Влияние инерции носителей тока в транзисторе на частотах в диапазоне до 0,5/кр проявляется слабо. На частотах более высоких, чем 0,5/кр, цепи обратной связи в схемах усложняются ввиду необ­ ходимости введения в них дополнительных реактивных сопротив­ лений, компенсирующих фазовые сдвиги, проявляющиеся на более высоких частотах.

Режим работы транзисторных автогенераторов преимуществен­ но недонапряженный, близкий к граничному.

В схемах транзисторных автогенераторов, в отличие от лампо­ вых, на базу подается первоначальное напряжение смещения Еб, смещающее рабочую точку на участок характеристики с достаточ­ ной крутизной для облегчения самовозбуждения. Это вызвано «правым» расположением характеристик коллекторного тока тран­ зисторов. Поэтому в практических схемах, как правило, использу­ ется комбинированное смещение, при котором первоначальное фиксированное смещение обеспечивает режим «мягкого» возник­ новения колебаний, а действие автоматического смещения обеспе­ чивает нужный угол отсечки '0<9О° в установившемся режиме. На рис. 7.24 даны принципиальные схемы одноконтурных трехточеч­ ных автогенераторов. Первые две — емкостная трехточечная (рис. 7.24а) и индуктивная (рис. 7.246) — используются часто. Схема с трансформаторной обратной связью (рис. 7.24е) менее удобна, она

•сложна в исполнении и поэтому почти не применяется.

222

сопротивлении Яэ падением напряжения на нем за счет тока эмит­ тера; в схеме рис. 7.24а — за счет тока базы на сопротивлении Re. Начальное фиксированное смещение на базу подается в этих схе­ мах либо от отдельного источника Ее (рис. 7.246), либо от источ­

лекторной цепи и поэтому мало влияет на частоту автоколебаний, определяемых контуром, включенным меж­ ду эмиттером и базой.

К О Н Т Р О Л Ь Н Ы Е В О П Р О С Ы

1.Поясните требования, предъявляемые к задающим генераторам радиопере­ датчиков.

2.Укажите порядок величины допустимой нестабильности частоты автоколе­

баний типовых возбудителей радиопередатчиков связи и вещания.

3.Составьте принципиальные схемы триодных генераторов: а) с внешним воз­ буждением и б) с самовозбуждением; сравните их и поясните условия для возможного превращения генератора с внешним возбуждением в автогене­ ратор.

4.Напишите общее уравнение самовозбуждения лампового (транзисторного) автогенератора и поясните значения входящих в него величин.

5.В чем заключается условие баланса амплитуд колебаний в схеме автогене­ ратора и как оно записывается математически?

6.В чем заключается фазовое условие самовозбуждения и почему в схемах

ламповых (транзисторных) генераторов с самовозбуждением частота автоко­ лебаний не совпадает с собственной частотой колебательной системы?

7. Составьте схемы одноконтурных ламповых (транзисторных) автогенерато­ ров с различными видами обратной связи; покажите в них замкнутые цепитоков постоянных и переменных составляющих: докажите на основании об­ щего правила трехточечных схем возможность самовозбуждения к установ­ ления в схемах устойчивых автоколебаний.

223

8.Поясните необходимость регулирования величины обратной связи в схемах автогенераторов.

9.В чем заключаются достоинства применения автоматического смещения?

10.Чем выгоден режим «мягкого» .самовозбуждения и как он достигается в реальных схемах автогенераторов?

11.Что называют устойчивым колебательным (рабочим) режимом авто­ генератора?

12.В чем заключаются преимущества двухконтурных (многоконтурных) схем по сравнению с одноконтурными?

13.Рассмотрите в различных двухконтурных схемах автогенераторов замкнутые цепи токов постоянных и переменных составляющих; докажите на основании общего правила трехточечных схем, возможность самовозбуждения и уста­ новления в схемах устойчивых автоколебаний.

14.На схемах рис. 7.,17 и 7Л8 покажите точки, с которых может быть снято напряжение автоколебаний даже при отключенном источнике анодного пи­ тания.

15.Перечислите конструктивные особенности укв ламповых автогенераторов и поясните, какая принципиальная схема и почему в них премущественно ис­

пользуется?

224

Г Л А В А В О С Ь М А Я

ГЕНЕРАТОРЫ СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫХ КОЛЕБАНИЙ

8.1.ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Вдиапазонах дециметровых и сантиметровых волн, на частотах свыше 300 МГц, применение электровакуумных ламп, а тем более транзисторов, не отличающихся высокочастотными свой­ ствами, становится неэффективным. С ростом частоты колебаний исключить влияние на процесс генерации времени пролета электро­ ном междуэлектродных пространств становится невозможно. Кро­ ме того, с ростом частоты колебаний резко проявляется влияние междуэлектродных емкостей и распределенных индуктивностей электродов и их выводов. Наступает порог, ори котором уже ника­ кие конструктивные усовершенствования генераторных ламп не

позволяют получить большие мощности и удовлетворительный кпд1). Рост частоты колебаний приводит к такому падению элек­ тронного кпд, при котором использование ламповых генераторов становится нерациональным.

Изобретение колебательных систем в виде объемных резонато­ ров положило начало широкому использованию нового принципа генерации свч колебаний, отличного от лампового. Этот принцип, динамического управления электронным потоком в вакуумном про­ странстве, в отличие от статического в ламповых генераторах, ос­ нован на использовании инерционных свойств электрона (опреде­ ленных его массой) и возможности эффективного обмена его кине­ тической энергии с электромагнитным полем резонатора для под­ держания в нем незатухающих колебаний.

Возможность использования такого принципа для генерации высокочастотных колебаний была впервые высказана советским ученым Д. А. Рожанским еще в 1930 г.

Электровакуумные приборы, предназначенные для генерации свч колебаний, получили название специальных; к ним относятся: клистроны, лампы бегущей и обратной волн, магнетроны, платинотроны и многие другие. Число типов приборов вое время растет и пополняется новыми конструктивными разработками, цель ко­ торых — улучшить параметры, характеризующие частотные свой­ ства, кпд и мощность. Специальные приборы свч относятся к клас­ су пролетных электровакуумных приборов вне зависимости от кон­ струкции и назначения.

’) В электронных устройствах высокочастотных генераторов кпд порядка 20% считается удовлетворительным.

Генераторы на специальных электровакуумных приборах для создания свч электромагнитных колебаний объединены рядом об­ щих качеств.

1. Устройства генераторов сочетают в единой конструктивной системе объемный резонатор и электровакуумный прибор (у лам­ повых генераторов прибор и контур разобщены).

2.Размеры конструкции генераторов и соединительных коакси­ альных фидеров или волноводов, канализирующих электромагнит­ ную энергию, значительно превышают длину волны генерируемых колебаний.

3.Возможность широкого использования импульсного режима работы.

Передатчики этого диапазона преимущественно строятся одно­ каскадными для импульсных режимов работы, при которых гене­ ратор с самовозбуждением непосредственно работает на внешнюю нагрузку.

Передатчики, предназначенные для радиосвязи и вещания, должны обеспечивать строгое постоянство несущего колебания и потому выполняются многокаскадными. В них каскады предвари­ тельного усиления обычно маломощные, выполненные на генера­

внешней нагрузкой передатчика.

В настоящее время генераторы на специальных электровакуум­ ных приборах используются в телевизионных передатчика* деци­ метрового диапазона, радиорелейных передатчиках различных си­ стем связи — наземной, тропосферной, космической — в диапазо­ нах дециметровых и сантиметровых волн.

Ниже рассматриваются свч генераторы, используемые в аппа­ ратуре связи в качестве генераторов с внешним возбуждением и автогенераторов.

8.2. ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ СВЧ ГЕНЕРАТОРОВ

РЕЗНАТРОН

Резнатрон — электровакуумный прибор, предназначен­ ный для генерирования мощных высокочастотных колебаний в об­ ласти дециметровых волн. Расположение электродов, их число и фокусировка электронных пучков позволяют отнести его к луче­ вым тетродам. Резнатроны обеспечивают на волнах вплоть до 0,3 м десятки киловатт колебательной мощности. Они представ­ ляют собой металлическую конструкцию разборного типа с кера­ мическими изоляторами. Электроды выполнены плоско-параллель­ ными, а не цилиндрическими и расположены так, как это показано на рис. 8.1а. Внешний их вид поясняется рис. 8.16. Экранирующие электроды соединены с анодом и относительно изолированного катода находятся под полным анодным напряжением. В этих усло­

226

в лампе становится пульсирующим (как в случае колебательного режима А). Пульсирующий электронный поток, дополнительно ускоренный полем экранирующей сетки, поступает в выходной объемный резонатор и возбуждает его. Последний настроен в ре­ зонанс с частотой возбуждения, а следовательно, и с частотой пульсаций электронного потока. В результа-те взаимодействия электрической составляющей электромагнитного поля выходного резонатора с пульсирующим электронным потоком (по законам индукции) последний отдает резонатору большую часть своей за­ пасенной энергии и поддерживает в нем возникшие электромагнит­ ные колебания. Оставшаяся часть энергии потока электронов, по­ павших на анод, выделяется в виде тепловой и для своего отвода требует принудительного охлаждения. У резнатронов различного типа кпд равен 40—60%.

Основное принципиальное отличие резнатрона от генераторной лампы заключается в объединении магнитного и электрического полей внутри полости резнатрона. Инерция электронов в резнатро­ не, как и в лампе, явление отрицательное. Повышение постоянных ускоряющих напряжений снижает влияние инерции электронов на процесс генерации; плоская конструкция электродов и весьма ма­ лые междуэлектродные промежутки значительно уменьшают вре­ мя пролета электронов. Электромагнитная энергия -свч колебаний передается во внешнюю нагрузку при помощи коаксиального фи­ дера, связанного с выходным резонатором петлей связи. Таким образом, резнатрон является электровакуумным прибором пере­ ходного типа между генераторной лампой и специальными сверх­ высокочастотными приборами типа клистрона, лампы бегущей волны, магнетрона и др.

ПРОЛЕТНЫЙ КЛИСТРОН

Пролетный клистрон — электровакуумный прибор, пред­ назначенный для усиления сверхвысокочастотных электромагнит­ ных колебаний путем взаимодействия сгруппированного электрон­ ного потока с возбужденными колебаниями объемного резонатора.

Клистроны разного типа используются для усиления, умноже­ ния и генерации сеч колебаний сантиметрового и дециметрового диапазонов, а также успешно применяются в качестве мощных автогенераторов. В настоящее время клистронные генераторы обес­ печивают -сотни киловатт мощности в непрерывном режиме гене­ рации и десятки мегаватт— в импульсном.

Рассмотрим принцип действия двухрезонаторного пролетного клистрона (рис. 8.2). Электронная часть прибора состоит из ка­ тода 2, фокусирующего устройства Ф и анода А, образующих электронный прожектор, назначение которого — создать уплотнен­ ный поток электронов, несущий запас кинетической энергии вдоль оси клистрона в направлении к коллектору 4. -Создание концентри­ рованного электронного потока всегда несколько затруднено из-за взаимного расталкивания электронов. Поэтому в клистронах ис-

228

пользуются дополнительные устройства, фокусирующие электрон­ ный поток. Для предварительной фокусировки потока применя­ ются фокусирующие электроды Ф, находящиеся под небольшим отрицательным потенциалом по отношению к катоду. Корпус (или пролетная труба) клистрона 3, анод, коллектор и объемные резо­ наторы OPi, ОР2 находятся под общим высоким (относительно ка-

Р ис. 8.2. Схематическое устройство двухрезонаторного про­

летного клистрона

тода) потенциалом и заземляются. Это исключает необходимость защиты оператора от высокого напряжения при перестройках ре­ зонаторов. Пространство вдоль оси 1 между объемными резонато­ рами OPi и ОР2 носит название пространства дрейфа или группи­ рования. На электронный поток в нем не оказывают действия ни­ какие постоянные электрические поля, так как потенциал резона­ торов, корпуса и коллектора общий.

Объемный резонатор OPi, возбуждаемый от внешнего источни­ ка свч колебаний, называется входным. Резонатор ОР2, связанный с внешней нагрузкой генератора, называется выходным. Их кон­ фигурация и объем должны быть одинаковыми, а собственные частоты — совпадающими. «Конденсаторная» часть объемных ре­ зонаторов, выполненная в виде сеток, помещается в вакуумном пространстве баллона клистрона 3. Изменение в небольших пре­ делах резонансной частоты резонаторов осуществляется при по­ мощи регулировочных винтов 5. Связь объемных резонаторов с внешними цепями — возбуждения и нагрузкой — выполняется ли­ бо при помощи коаксиального фидера, либо при помощи волно­ водов (на волнах короче 10 см).

Рассмотрим клистронный генератор в отсутствие возбуждаю­ щего напряжения. Электроны, покинувшие катод с малыми ско­ ростями, приобретают под воздействием поля ускоряющего напря­

229

жения Е й конечную скорость v0, с которой движутся вдоль оси клистрона в направлении, к коллектору 4, и образуют однородный поток электронов с постоянной плотностью, три которой в любом поперечном сечении число электронов одинаково.

Однородный электронный поток в объемных резонаторах не наводит в них результирующего индукционного тока, так как чис­ ло подлетающих к плоскостям сеток и удаляющихся электронов примерно одинаково и результирующий — наведенный — ток прак­ тически равен нулю. Объемные резонаторы в этом случае не воз­ буждаются. Электроны, достигающие коллектора, отдают ему свою кинетическую энергию (выделяющуюся в виде тепла) и образуют в цепи коллектора конвекционный постоянный ток Iо, называемый постоянным током луча.

При возбуждении первого резонатора О Р у от какого-либо внеш­ него источника колебаний свч в его «конденсаторной» части дей­ ствует переменное электрическое поле, которое взаимодействует с потоком электронов. В результате электроны, пролетающие че­ рез резонатор О Р у в различные моменты (фазы) действующего

Р ис. 8.3. Пространственно-временная диаграмма, поясняющая груп­

пирование электронов в пространстве дрейфа

пунктирными линиями), под воздействием этого дополнительного переменного поля будут изменять свою скорость и запасенную ки­ нетическую энергию. Пролетая сетки в момент 4у, электроны полу­ чат дополнительную энергию и увеличат свою скорость на величи­ ну Av. В отрицательный полупериод, когда полярность действую-

230