Методы / El-Vac Devices of UHF 11 Full

Федеральное агентство по образованию

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»

МИКРОВОЛНОВЫЕ ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА

Методические указания к лабораторным работам

Санкт-Петербург Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

2006

1

1. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕТРОДНОГО УСИЛИТЕЛЯ

Цель работы: изучение особенностей конструкции тетродного микроволнового усилителя с двухзазорным входным устройством, экспериментальное определение его характеристик и параметров в различных режимах работы.

1.1. Основные теоретические положения

1.1.1. Особенности усилителей на тетродах

Тетроды средней и большой мощности по-прежнему сохраняют конкурентноспособность в дециметровом диапазоне длин волн по сравнению с другими микроволновыми приборами [1].

Кпреимуществам их можно отнести следующие качественные показатели:

–меньшие габариты и вес,

–более низкие питающие напряжения,

–отсутствие специальных фокусирующих систем,

–высокий средний КПД,

–малые нелинейные искажения,

–высокая фазовая стабильность.

Вотличие от электронно-лучевых микроволновых приборов, в тетродах используется квазистатический принцип управления электронным потоком, а не скоростная модуляция.

Это исключает необходимость применения длинных пролетных труб (в случае клистронов) или замедляющих систем (в случае ламп бегущей волны). Поэтому габариты и вес тетродов значительно меньше. Кроме того, не требуется сложных систем фокусировки для сопровождения луча.

Вмикроволновых тетродах высокие уровни выходной мощности достигаются за счет больших токов при сравнительно низких питающих напряжениях.

Высокий средний КПД объясняется тем, что в режиме амплитудной модуляции тетроды работают в классе В и С, т. е. с отсечкой катодного тока. При отсутствии высокочастотного сигнала ток через них не проходит.

Вклистронах же и ЛБВ в этом случае вся мощность электронного потока выделяется на коллекторе. Поэтому при усилении, например, телевизионного сигнала средний КПД клистронных передатчиков оказывается в 2–2,5 раза ниже тетродных.

3

Меньший уровень нелинейных искажений в этих усилителях связан с особенностями амплитудных характеристик. Если в клистронах и ЛБВ вследствие процессов группирования электронов амплитудные характеристики напоминают синусоиду, то аналогичные характеристики тетродных усилителей имеют вид S-кривых. Сравнение амплитудных характеристик тетрадного микроволнового усилителя и клистрона пре д- ставлено на рис. 1.1.

нала и питающих напряжений на порядок меньше, чем в клистронах и ЛБВ.

Среди недостатков тетродных усилителей следует отметить низкие значения коэффициента усиления по мощности, низкие предельные р а- бочие частоты, ограниченную полосу пропускаемых частот, а также значительно меньшие надежность и долговечность.

Для повышения коэффициента усиления по мощности переходят от включения с общей сеткой к схеме включения с общим катодом. При этом существенно уменьшается активная входная электронная проводимость и требуется меньший уровень входной мощности.

Однако конструктивная реализация схемы с общим катодом в случае тетродов с плоскими электродами вызывает известные трудности. Для усилителя на тетроде с плоскими электродами предложена схема с «висячей» сеткой, позволяющая обеспечить при определенных условиях равенство амплитуд и противофазность напряжений на зазор ах «катод – управляющая сетка» и «управляющая сетка – экранирующая сетка», что соблюдается в схеме с общим катодом.

4

1.1.2.Описание конструкции тетродного усилителя

Впредложенной конструкции входного устройства с «висячей» сеткой (рис. 1.2) на управляющую сетку С1 надевается цилиндр, с помощью которого исходная коаксиальная линия 3, подключенная к катоду К и экранирующей сетке С2, разбивается на два отрезка коаксиальных линий 1 и 2, которые соответственно подключаются к зазорам K–С1 и С1–C2.

Отрезки коаксиальных линий 1 и 2 вместе

С2

E

Сбл

С1

К

A

Сбл UС1 UС2

Pвх

Рис. 1.3

Этих недостатков лишено оригинальное двухзазорное устройство, предложенное А. Д. Сушковым [2] (рис. 1.3). Оно представляет собой отрезок двухпроводной линии, внешний проводник которой имеет прямоугольное сечение, а внутренний проводник выполнен в виде полоски. Линия с одной стороны разомкнута, а с другой – закорочена и ведет себя как четвертьволновый резонатор.

5

К линии подсоединяется катод К, управляющая сетка С1 и экранная сетка C2. На управляющую сетку подается постоянное напряжение смещения UC1, а на экранную сетку – напряжение UC2 . Развязка по постоянным напряжениям обеспечивается с помощью блокировочных конденсаторов Cбл . Если линия настроена в резонанс, то на зазорах K–C1 и C1–C2 устанавливаются одинаковые по величине и противоположные по направлению напряжения, так как исходная линия работает на волне ТЕМ. При подаче входной мощности в положительный период переменного напряжения на управляющей сетке C1 происходит отбор катодного тока, сопровождаемый ускорением электронного потока, на что затрачивается определенная энергия от источника сигнала. Далее электроны в зазоре C1–C2 попадают в тормозящее электрическое поле E и отдают свою кинетическую энергию электромагнитному полю того же резонатора. При малых углах пролета суммарная энергия источника сигнала оказывается небольшой.

Отметим, что ни перестройка резонатора, ни изменения режима работы тетрода, например напряжения сигнала, не вызывают нарушения равенства и противофазности напряжений на зазорах K–С1 и C1–C2. Это является главным преимуществом данного типа входного устройства.

1.1.3. Параметры тетродного усилителя

Прежде чем переходить к описанию объекта исследования, рассмотрим параметры тетродного микроволнового усилителя. Как и усилители других типов, он характеризуется следующими параметрами:

–номинальной Pном , выходной Pвых и входной Pвх мощностями;

–коэффициентом усиления по мощности μp ;

–полосой пропускания частот, равной разности верхней fв и нижней fн

рабочих частот f fв fн на определенном уровне выходной мощности;

–коэффициентом полезного действия η ;

–коэффициентом нелинейных искажений, определяющим относительный уровень высших гармонических составляющих огибающей сигнала, которые появляются в нагрузке вследствие нелинейности анодно-сеточных характеристик, а также пролетных эффектов;

–фазовой стабильностью, определяющей изменение фазы выходного сигнала (в градусах) при изменении питающего (анодного) напряжения или входной мощности на 1 % от начальных значений.

6

Кроме того, усилитель характеризуется величинами питающих напряжений анодного Ua , экранного UC2 , управляющей сетки UC1 и накала Uн . Определим зависимость основных параметров тетродного микроволнового усилителя от углов пролета в междуэлектродных промежутках. Для этого воспользуемся известными аналитическими выражениями. Выходная мощность в общем случае определяется формулой

где Iа1 – амплитуда переменного анодного тока, возбуждающего выходной резонатор; Rэ2 – эквивалентное сопротивление нагруженного выходного резонатора; η2 – коэффициент полезного действия выходного резонатора. Для нахождения амплитуды переменного анодного тока следует воспользоваться понятием комплексной крутизны

где UС1 m – амплитуда переменного напряжения на управляющей сетке;

электронов в промежутке «анод–экранирующая сетка».

«анод – экранирующая сетка»; Ua – напряжение источника анодного питания; UС2 – напряжение на экранирующей сетке. При работе с отсечкой анодного тока статическая крутизна заменяется средней крутизной Sср 0.5S 1 cosθ , где

θ – угол отсечки анодного тока. Аналогично можно найти зависимость входной мощности от углов пролета электронов в промежутках «катод – управляющая сетка» и «управляющая сетка – экранирующая сетка». Исходная формула для входной мощности имеет вид:

где UС1 m – амплитуда переменного напряжения на управляющей сетке;

7

и статического угла пролета в промежутке «управляющая сетка – экранирующая сетка»

Зная выходную и входную мощности, а также мощность источники анодного питания Pа0 , можно вычислить коэффициент усиления по мощности

где Ia0 – постоянная составляющая анодного тока, Ua – напряжение источника анодного питания.

Кроме того, можно определить полный или промышленный КПД тетродного усилителя:

где, кроме известных величин, PC1 0 IC1 0UC1 – мощность источника смещения в цепи управляющей сетки (UC1 –напряжение смещения, IC10 – постоянная со-

8

ставляющая сеточного тока); PC20 IC20UC2 – мощность источника постоянного тока в цепи экранирующей сетки (где UC2 – напряжение на экранирующей сетке, IC20 – постоянная составляющая тока в цепи экранирующей сетки).

1.2.Описание объекта исследования

Вработе исследуется тетродный усилитель. Основу усилителя составляет металлокерамический тетрод малой мощности с плоской конструкцией электродов (рис. 1.5). Для обеспечения малых междуэлектродных расстояний К–С1 и С1–С2 (порядка 100 мкм) и равномерности электрического поля первая и вторая сетки в этом тетроде выполнены мелкоструктурными.

5

Рвх

Сбл

Рис. 1.5 Сбл

Сбл

Для стабилизации междуэлектродных расстояний ячейки сетки имеют вид паркета. Такие сетки выполняются из тонкой металлической фольги методом фотохимического травления, при котором достигается высокая точность изготовления. Перемычки экранирующей сетки находятся в тени перемычек управляющей сетки и сделаны несколько тоньше для улучшения токопрохождения. Тетрод имеет дисковые выводы для подключения в объемные колебательные контуры. Охлаждение тетрода принудительное – воздушное.

9

Тетрод включается в колебательную систему, состоящую из входного двухзазорного резонатора и выходного коаксиального резонатора обычной конфигурации.

Входной контур 1 представляет собой полуволновый резонатор прямоугольного сечения. К нижней пластине подключен вывод катода К, к средней – вывод управляющей сетки C1 и к верхней пластине – вывод экранирующей сетки С2. Развязка по постоянным напряжениям обеспечивается с помощью слюдяных блокировочных конденсаторов Cбл . Боковые пластины находятся под потенциалом земли и к ним крепятся регулируемый высокочастотный ввод энергии емкостного типа 4 и дополнительный вывод 5 для контроля высокочастотного напряжения на зазоре К–С1. К выводу экранирующей сетки подключается через блокировочный конденсатор фланец выходного коаксиального четвертьволнового резонатора 2. Внутренний цилиндр этого резонатора подсоединен к аноду тетрода. Для передачи мощности в нагрузку предусмотрен регулируемый емкостной вывод энергии 3. Перестройка резонатора осуществляется короткозамыкающим плунжером 6 с подключенным к нему блокировочным конденсатором Cбл . Воздушное охлаждение тетрода осуществляется через штуцер 7.

1.3. Описание измерительной установки

Принципиальная схема измерительной установки приведена на рис. 1.6. В нее входит генератор высокочастотных сигналов с измерителем частоты, вентиль, служащий для обеспечения стабильной работы генератора

tW

Генератор α

10