книги из ГПНТБ / Пахлавян, А. Н. Радиопередающие устройства учебник
.pdfсвязь 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:
а ) |
одноконтурного |
.автогенератора |
с дополнительной обратной связью; |
б ) |
двухконтурного с |
двусторонним |
расположением контуров и дополнитель |
ной обратной связью |
|
|
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
Рис. 7.24. Одноконтурные трехточечные схемы |
транзисторных |
автогенераторов: |
а ) емкостная; б ) индуктивная; в ) взаимоиндуктивная i(траноформаторная) |
||
Автоматическое 'смещение в схемах |
рис. 7.246, в |
создается на |
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
ника коллекторного напряжения |
Ек через |
|
|
|
||
делитель R(R2 |
(см. рис. |
7.24а, в). |
|
|
|
ЧЬ |
При прочих равных |
условиях |
большей |
|
|
1 ' |
|
стабильностью |
генерируемых колебаний |
|
|
I |
||
отличается емкостная |
трехточечная схема |
|
|
|||
|
|
|
||||
автогенератора. |
|
|
|
|
|
|
На рис. 7.25 показана одна из возмож |
|
|
■Ег |
|||
ных схем двухконтурного автогенератора с |
Р ис. |
7.25. |
Схема двух- |
|||
общей базой. В ней внешняя нагрузка ав |
контурного |
автогенерато |
||||
тогенератора связывается с контуром в кол |
ра с |
общей базой |
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.
8—25 |
225 |
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
торных |
лампах, а мощный оконечный |
каскад — на специальном |
||
электровакуумном приборе — клистроне |
или |
лампе |
бегущей вол |
|
ны — в |
виде отдельного конструктивного |
блока |
связывается с |
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