книги из ГПНТБ / Басалов Ф.А. Некоторые вопросы техники сверхвысоких частот [конспект лекций]
.pdfСти й к.й.д., ограничивая тем самым максимальную частоту генерации. Основные особенности следующие:
1.Большое влияние приобретают междуэлектродные емкости
ииндуктивности вводов лампы.
2.Увеличиваются потери в колебательной системе генерато ра и диэлектриках лампы.
3.Резко проявляет себя инерция электронов.
1.Влияние междуэлектродных емкостей и индуктивностей
вводов лампы
В диапазоне СВЧ междуэлектродные емкости и индуктив ности вводов лампы генератора становятся соизмеримыми с соот ветствующими параметрами его колебательной системы. Эквива лентная схема лампы приведена на рис. 11. С3 II С,gк
междуэлектродные емкости |
лампы, |
La, Lg и LK |
индуктивпо- |
|||||||||||
сти её вводов. |
Пунктиром |
на схеме обозначена |
возможная |
ко |
||||||||||
лебательная система генератора. Междуэлектродные |
емкости и |
|||||||||||||
индуктивности |
вводов лампы оказываются подключенными к |
|||||||||||||
колебательной |
системе. В результате этого |
колебательная |
сис |
|||||||||||
тема усложняется, ее эквивалентные параметры L%и Сэ |
увели |
|||||||||||||
чиваются, |
а |
частота |
генерируемых |
колебаний / |
= |
----- } |
1 эсэ |
|||||||
уменьшается. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2- у |
|||
к лампе |
ничего |
не |
|
подключать, |
|
а |
просто |
|||||||
Если даже |
g, |
|
||||||||||||
замкнуть |
накоротко |
ее |
вводы a, |
и к, то все равно образу |
||||||||||
ется собственная колебательная система из |
междуэлектродных |
|||||||||||||
емкостей |
и индуктивностей |
вводов. |
Очевидно, |
что |
параметры |
|||||||||
этой системы Lc и Сс будут определять |
максимально |
возможную |
||||||||||||
для данной лампы частоту |
генерации |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
/ш а х |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2- у |
L cCc |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
10
У генераторных |
триодов |
обычного типа (не |
сверхвысокоча- |
||||||||||||||||
стотных, |
например, |
ГУ-4А, |
ГУ-оА и |
др.) |
междуэлектродные |
||||||||||||||
емкости имеют величину |
в |
несколько |
десятков |
пикофарад, |
а |
||||||||||||||
индуктивности вводов — десятые |
и |
сотые |
доли |
ыикрогенри. |
|||||||||||||||
Если |
взять |
для |
примера Сс = |
20 |
тиф, |
Lc = |
0,05 мкгн, то полу |
||||||||||||
чим |
|
/marx |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
160 мггц. |
|
|
|
||||
|
|
2-3,14 V |
0,05-10“ °-20-10“-12 |
|
|
|
|||||||||||||
Для |
генерирования |
колебаний |
более |
высоких |
частот |
подоб |
|||||||||||||
ные лампы непригодны, |
нужны лампы |
с |
возможно |
меньшими |
|||||||||||||||
междуэлектродными емкостями и индуктивностями вводов. |
|
||||||||||||||||||
Кроме |
того, |
междуэлектродные |
|
емкости |
обусловливают |
||||||||||||||
появление в |
схеме |
дополнительных |
проводимостей, |
величина |
|||||||||||||||
которых |
увеличивается |
с ростом |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
частоты. Емкостные токи, проте |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
кая по этим проводимостям, при |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
водят |
к |
дополнительным |
поте |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
рям эне-ргии в активных |
сопро |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
тивлениях вводов и соедини |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
тельных |
проводников. |
Наличие |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
индуктивностей |
вводов |
также |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
приводит к дополнительным по |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
терям энергии. Поэтому |
много |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
электродные |
лампы в диапазоне |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
СВЧ |
оказываются |
малоэффек |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
тивными, |
и |
здесь |
используют |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
в основном триоды. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
В качестве примера увеличе |
|
|
|
|
|
Рис. |
12. |
|
|
|
|||||||||
ния потерь рассмотрим |
влияние |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
индуктивности катодного ввода LK. Эквивалентная схема сеточ |
|||||||||||||||||||
ной цепи лампы, куда входит LK, приведена на |
рис. |
12. |
Если |
||||||||||||||||
бы индуктивность катодного ввода LK была |
равна |
нулю, |
то |
||||||||||||||||
потери энергии в сеточной цепи, не |
учитывая |
активные |
сопро |
||||||||||||||||
тивления |
вводов |
и |
соединительных |
|
проводников, отсутствова |
||||||||||||||
ли бы. Векторная диаграмма |
для |
этого |
случая |
приведена |
на |
||||||||||||||
рис. |
13, |
а. Емкостной ток lg. протекающий через |
CgK, |
опере |
|||||||||||||||
жает |
по фазе входное напряжение |
/Увх на 90 |
. Мощность |
потерь |
|||||||||||||||
в этом случае |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
Рп |
|
2 ^gtJPв~&тСО®i |
|
0. |
|
|
|
|
|
|
||||
При наличии индуктивности катодного ввода |
{LKф 0) |
сдвиг |
|||||||||||||||||
по фазе |
между £/вх и Ig |
уже не |
будет |
равен 90 |
(рис. 13, б). |
В |
|||||||||||||
этом случае |
|
|
|
|
хот |
|
|
|
P^Lm' |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
^ gnt |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Первая |
гармоника |
анодного |
тока |
/ а1, |
протекая через |
лампу |
|||||||||||||
и LK, совпадает по фазе с напряжением Ug, так как обычно
11
/?г > wlK. Напряжение на LK опережает по фазе ток через LK (/3[ ) на 90°. Имея вектора Ugm и ULm, найдем графически
вектор С/вх. Емкостной ток сетки Ig опережает по фазе на 90° напряжение на Сетке Ug. Следовательно, как видно из диаграм мы, сдвиг по фазе между £/вх и Ig <оф 90'.
Мощность потерь в этом случае
|
Р и |
2 |
^gin |
С0® ? |
Ф ' 0- |
Причем, |
так как |
|
|
|
|
|
Uвхт |
¥ 1 |
ULm — |
ш^к > |
|
а |
|
Igm |
UgmwСgк > |
|
|
то |
|
Рп == со2CgK LK. |
|
||
Utxm~Ugm б)
Vbxm lam
Мдт
Lm=0 |
Ьм *0 |
4*90°^
lam
^ьт I дт
Рис. 13.
Таким образом, наличие индуктивности катодного ввода лампы LK приводит к появлению дополнительных потерь энер гии в сеточной цепи, причем с ростом частоты потери быстро увеличиваются, следовательно, полезная мощность и к.п.д. уменьшаются.
2. Особенности колебательной системы ламповых генераторов СВЧ
Об одной особенности колебательной системы ламповых |
ге |
||
нераторов в диапазоне СВЧ уже |
говорилось выше, —в ее |
сос |
|
тав входят междуэлектродные |
емкости |
и индуктивности |
вво |
дов лампы. |
|
системы является |
то, |
Другой особенностью колебательной |
|||
что в ней с ростом частоты увеличиваются потери, слагающие ся из потерь на излучение (геометрические размеры элементов становятся соизмеримыми с длиной волны), из тепловых потерь (действие поверхностного эффекта) и потерь в диэлектриках.
12
Следствием |
увеличения |
потерь в колебательной |
системе |
||||||
является уменьшение |
ее |
добротности |
Q |
и, |
соответственно, |
||||
уменьшение |
ее эквивалентного |
сопротивления R 3, |
которое, как |
||||||
известно, равно |
р — |
Q |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|||
Из этой формулы видно, что если даже |
пренебречь |
уменьше |
|||||||
нием Q, то все равно с ростом частоты |
w |
величина |
R3 будет |
||||||
уменьшаться. |
Увеличить |
величину |
R3 |
за счет |
уменьшения |
||||
Сэ затруднительно, так |
как минимальная |
емкость |
колебательной |
||||||
системы ограничена междуэлектродными емкостями лампы гене ратора.
Колебательная система является нагрузкой лампы генератора.
Как известно, |
для получения наибольшей |
полезной мощности |
|||
сопротивления |
лампы генератора |
и его |
нагрузки |
должны быть |
|
согласованы. Уменьшение R 3 с ростом |
частоты затрудняет такое |
||||
согласование, |
вследствие |
чего |
полезная |
мощность |
|
р = — / 2 |
и к.п.д. генератора также |
уменьшаются. |
|||
2 а1 Rb |
|
|
|
|
|
Учитывая указанные затруднения, в ламповых генераторах СВЧ колебательные системы в виде контуров с сосредоточен ными параметрами почти не используются. Здесь применяются колебательные системы с распределенными параметрами в виде отрезков двухпроводных линий (в метровом диапазоне) или коаксиальных линий (в дециметровом диапазоне). Подобные колебательные системы имеют малые тепловые потери и потери на излучение (в коаксиальных линиях потерн на излучение сов сем отсутствуют). Поэтому добротность таких колебательных систем выше, чем добротность колебательных систем с сосредо точенными параметрами.
3. Влияние инерции электронов |
|
|
||
В диапазоне СВЧ резко проявляет себя |
инерция |
электро |
||
нов — время пролета |
электронов от одного |
электрода |
лампы к |
|
другому становится сравнимым с периодом генерируемых |
коле |
|||
баний. Лампа уже не является безынерционным прибором, |
как |
|||
это практически было на более низких частотах. |
время |
|||
Для оценки влияния инерции электронов |
определим |
|||
пролета электронов |
между электродами лампы "11р. Это время |
|||
можно сравнительно легко найти, если предположить, что элект
роны движутся |
между двумя плоскими электродами с разностью |
|||
потенциалов U |
между ними |
(рис. |
14). Тогда величину си- |
|
лы F3, действующей на электрон |
со |
стороцы электрического |
||
поля, можно записать как |
еЕ |
|
||
или |
|
|
||
сРх |
|
и_ |
|
|
|
|
|
||
|
т cm |
— е |
d |
|
13
где е — заряд электрона, Е — напряженность электрического поля, т — масса электрона, d — расстояние между электро дами.
Для определения времени пролета тпр необходимо иметь; функцию x = f(t), которую можно'найти, проинтегрировав дважды последнее уравнение. После первого интегрирования получим;
dxdt = V = eUmd |
Vо- |
Допустим, что начальная скорость электрона У0 = 0.
d
U
о
Рис. 14.
Тогда после второго интегрирования можно найти время про-
d |
|
Tnp |
|
С , |
еи |
J |
tdi |
1d x ~ md |
|
|
|
*0 |
|
0 |
|
|
|
Л |
|
d — |
eU |
vnp |
, |
|
md |
2 |
’ |
~np = d *|/ |
2m |
||
eU |
|||
Таким образом, время пролета электронов тпр определяется разностью потенциалов U и расстоянием d между электродами. Если в последнюю формулу подставить значения заряда и мас сы электрона, выразить d в миллиметрах, a U в вольтах, то получим следующее выражение:
|
|
хпр(сек) = |
d (мм) . „-8 |
|
|
|
||
|
|
3УТЩ ~ |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
У мощных генераторных триодов обычного типа |
расстояние |
|||||||
между электродами |
бывает |
|
порядка нескольких |
миллиметров, |
||||
напряжение |
между |
катодом |
|
и сеткой-— порядка |
сотен |
вольт, а |
||
напряжение |
между |
сеткой |
и анодом — порядка |
тысяч |
вольт. |
|||
Определим для примера время пролета электронов |
между ка |
|||||||
тодом и сеткой лампы генератора, взяв |
d — 1 мм, a |
U — 100 в: |
||||||
|
vnp |
—У-----10~8 = 0,33 • |
10~9сек, |
|
|
|
||
|
|
3 ) А Т о Г |
|
|
|
|
|
|
14
Сравним эту величину с периодом колебаний.
1. Если лампу с подобными |
параметрами использовать для |
генерирования колебаний с >.= |
100 м, то при этом период коле |
баний будет равен . |
|
100 |
= 333 • 1(Г9 сек. |
3 -1 0 8 |
|
Следовательно, в этом случае |
7">-Iip и лампа является практи |
чески безынерционным прибором.
2. Если эту же лампу использовать для генерирования коле
баний СВЧ, например, |
с >.= 1 м, |
то при этом |
Г = — |
.= |
= 3,3 • 1(Г9 сек. |
со - 10®
Вэтом случае период колебаний мало отличается от времени пролета электронов. При дальнейшем росте частоты (уменьше нии >•) это отличие становится еще меньшим. Лампа уже не является безынерционным прибором, нормальная работа лампо
вого генератора нарушается.
Большой вклад в развитие теории ламповых генераторов с учетом влияния инерции электронов сделан советскими учеными Г. А. Гринбергом, М. С. Нейманом, В. Е. Никольским, В. Ф. Ко
валенко |
и другими. |
инерции |
электронов |
пользуются |
поня |
||||||
Для |
оценки влияния |
||||||||||
тием угла пролета ?пр, |
который |
определяется |
как |
|
|
|
|
||||
|
|
|
-пр |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
пр |
7 " 360° |
|
|
|
|
|
|
|
|
и показывает, на какую величину изменится |
фаза |
переменного. |
|||||||||
напряжения между электродами за время |
пролета |
электронов |
|||||||||
между ними. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В нашем примере: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1) соI пр |
0,33-107 |
-360 = |
0,36°; |
|
|
|
|
|||
|
|
333 ■1(Г |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,33 ■1(г9 |
360 = |
36'. |
|
|
|
|
|
||
|
|
3,3 - 10“ 9 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Если учесть время пролета электронов |
между |
|
катодом |
и |
|||||||
анодомлампы генератора, то величина угла |
пролета |
<эп]Г |
будет |
||||||||
большей.- |
инерции электронов |
является сдвиг |
по |
||||||||
Следствием влияния |
|||||||||||
фазе анодного тока лампы относительно напряжения |
на ее сет |
||||||||||
ке на величину угла ©пр (при |
максимальном |
положительном |
|||||||||
напряжении на сетке из объемного заряда |
у |
|
катода |
к |
аноду |
||||||
отправляется максимальное число электронов. Пока |
|
они |
прой |
||||||||
дут расстояние между катодом и анодом, мгновенное |
значение |
||||||||||
напряжения на сетке уже будет другим, т. |
е. |
положительные |
|||||||||
максимумы Ug и /а1 будут сдвинуты во времени |
на величину тпр). |
||||||||||
15
Как известно, в ламповых автогенераторах напряжения на сетке
и на аноде за счет обратной связи противоположны |
по фазе, а |
|||
напряжения на сетке |
и на колебательном |
контуре |
совпадают |
|
по фазе. Указанные фазовые соотношения |
иллюстрируются |
век |
||
торной диаграммой (рис. 15). |
|
|
|
|
На более низких частотах, когда угол |
пролета |
пренебре |
||
жимо мал, полезная |
мощность генератора определяется |
как |
||
|
Р = ~г Г. |
2 !'dlr UK |
|
|
В диапазоне СВЧ, при наличии угла пролета 'fIip, полезная мощность будет определяться другим выражением
Р = 2 |
COS <fnp, |
из которого видно, |
что с ростом частоты |
(с увеличением угла ?пр) полезная мощность уменьшается. При српр = 90’ ламповый гене ратор вообще не будет работать (Р = 0).
Таким образом, влияние инерции электронов в диапазоне СВЧ . приводит к уменьшению полезной мощности и к.п.д. лампового генератора.
Для уменьшения времени пролета в генераторных лампах СВЧ уменьшают междуэлектродные расстояния и увеличивают напряжения. Но и такие специальные лампы могут удовлетво
рительно работать лишь в метровом |
и дециметровом |
диапазо |
|||
нах. Для генерирования |
колебаний в сантиметровом и миллимет |
||||
ровом диапазонах волн |
используют |
специальные |
генераторные |
||
приборы — клистроны и магнетроны, |
в которых |
инерция |
элект |
||
ронов не является ограничивающим |
фактором, |
а |
используется |
||
как полезный эффект. |
|
|
|
|
|
• 4. Особенности конструкции генераторных ламп СВЧ
Из приведенного выше анализа вытекают следующие специ фические .требования к конструкции генераторных ламп СВЧ:
1)лампы должны иметь возможно меньшие междуэлектрод ные емкости и индуктивности вводов;
2)время пролета электронов между электродами должно
быть возможно меньшим;
3)лампы должы 'удобно сопрягаться с колебательными сис темами в виде отрезков длинных линий;
4)потери энергии в диэлектриках лампы должны быть
возможно меньшими.
Как уже отмечалось выше, многоэлектродные лампы в диа пазоне СВЧ оказываются малоэффективными, поэтому в этом диапазоне используют в основном триоды.
16
В генераторных лампах, предназначенных |
для |
генерирова |
ния колебаний дециметрового диапазона волн, |
особенно резко |
|
видна специфика их конструкции. Рассмотрим |
для примера |
|
устройство некоторых типов таких ламп.
Металлокерамические лампы. Устройство металлокерамиче ской лампы показано на рис. 16. В качестве диэлектрика в этой лампе используется специальная керамика с малыми диэлектри ческими потерями. Для уменьшения времени пролета электронов
Нерамима
расстояния между электродами сделаны очень малыми (десятые доли миллиметра). Геометрические размеры электродов для уменьшения междуэлектродных емкостей делаются малыми.
Лампа имеет |
цилиндрические вводы |
электродов. |
Вследствие |
|||||
этого лампа имеет очень малые индуктивности вводов |
(практи |
|||||||
чески равные нулю) и может удобно сопрягаться с |
колебатель |
|||||||
ной системой |
в виде отрезков коаксиальных |
линий. |
генерирова |
|||||
Металлокерамические |
лампы используются |
для |
||||||
ния колебаний средней |
мощности |
в |
дециметровом |
|
диапазоне |
|||
волн. Например, лампа типа.ГСЛБ |
имеет |
полезную |
мощность |
|||||
в режиме непрерывной |
генерации 360 вт и предельную часто |
|||||||
ту 1 100 мггц, |
лампа типа ГИ-7БМ имеет |
полезную |
|
мощность |
||||
в импульсе 11 |
кет (при длительности |
импульсов 3 -f-10 мксек) |
||||||
и предельную |
частоту 3 250 мггц. |
|
|
|
|
|
|
|
Маячковые лампы. Устройство маячковой лампы показано на рис. 17. Свое название такие л'ампы получили за сходство но форме с башней маяка. Лампы имеют плоские электроды малых размеров и дисковые вводы, электроды расположены на очень малом расстоянии друг от друга. Благодаря указанным кон структивным особенностям маячковые лампы имеют уменьшен ное время пролета, малые междуэлектродные емкости и индук тивности вводов и удобно сопрягаются с колебательными систе
мами в виде |
отрезков |
коаксиальных линий. |
2 Ф. А. Басалов. |
Зак. 129 |
^ |
|
7 Г.ИЧНДЯ |
|
7 - o f J j |
«г |
ГОС |
1 |
/Сс/ |
||
■iAyHi |
_х::: гжспая |
|
Маячковые лампы используются для генерирования мало мощных колебаний дециметрового диапазона волн. Например, лампа типа 6С5Д имеет полезную мощность 35 мет и предель ную частоту 3 370 мггц.
Стекло
5пони.ро&очная емкоcmо
К генераторным лампам метрового диапазона предъявляются менее жесткие требования, чем к генераторным лампам деци метрового диапазона. В лампах метрового диапазона часто
Ч
Ббод катодат , Вбод подо&оеба-
Рис. 18.
используется цилиндрическая конструкция электродов. Размеры электродов уменьшают для уменьшения междуэлектродных
емкостей, вводы электродов |
с этой же |
целью делаются |
с раз |
|||
ных сторон лампы. |
При уменьшенных |
размерах |
используются |
|||
оксидные катоды с |
высокой |
удельной |
эмиссией, |
достигающей |
||
у импульсных ламп 20-у 30 |
a-cJ . |
Для уменьшения |
времени |
|||
пролета электронов увеличивают |
напряжения анодного питания |
|||||
18
до величин порядка десятков киловольт в мощных лампах. При небольших размерах анодов естественное охлаждение часто
оказывается недостаточным. В таких случаях |
применяется при |
||
нудительное охлаждение анодов (обычно воздушное), |
которые |
||
снабжаются дополнительными |
радиаторами. |
Устройство |
одной |
из ламп метрового диапазона |
типа ГИ-17 приведено на рис. 18. |
||
Эта лампа работает обычно в двухтактных схемах с колеба
тельной' |
системой в виде отрезков |
двухпроводных линий. Не |
||
которые |
ее |
параметры: предельная |
частота 500 мггц, |
полезная |
мощность в |
импульсе 80 кет (при длительности |
импульсов |
||
4 мксек |
и скважности 1 000), напряжение анодного питания 9 кв. |
|||
§ 3. ТРИОДНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ СВЧ
Проанализировав особенности конструкции генераторных триодов СВЧ, рассмотрим схемы генераторов на этих лампах.
1. Генераторы на металлокерамических лампах. Эти генерато ры используются для генерирования колебаний средней мощ ности в дециметровом диапазоне волн. Они строятся обычно по двухконтурной схеме с общей сеткой, причем оба контура образуются отрезками коаксиальных линий.
|
Пилии |
|
|
Рис. |
19. |
|
|
Схема такого генератора |
приведена |
на рис. |
19, а. На |
рис. 19, б приведена упрощенная схема |
сопряжения |
металло |
|
керамической лампы с колебательной системой из отрезков
коаксиальных линий.
Как видно из рис. 19, а и б, колебательная система генера тора образована тремя цилиндрами разных диаметров. Эти
Т |
I 9 |