–PAGE_BREAK–1.5. Генератор на диоде
Среди полупроводниковых диодов, используемых в схемах ВЧ и СВЧ генераторов можно выделить: туннельный диод; диод Ганна и лавинно-пролетный диод. Эквивалентные модели этих приборов можно представить в виде нелинейной реактивной и отрицательной активной проводимости. Благодаря последней, при подключении такого прибора к резонатору, возможна генерация или усиление СВЧ колебаний с частотой, определяемой из соотношения , где — время пролета носителей заряда — электронов или дырок — в пролетной части полупроводниковой структуры.
1.6. Клистронный генератор
Клистрон используется только в СВЧ диапазоне. В нем имеется два резонатора — входной, к которому подводится сигнал возбуждения, и выходной, с которого снимается сигнал, усиленный по мощности. Носители заряда — электроны — движутся в приборе от катода к коллектору, к которому приложено постоянное напряжение. Проходя сквозь зазор входного резонатора, поток электронов модулируется по скорости. Затем в пространстве дрейфа прибора, расположенном между резонаторами, происходит преобразование одного вида модуляции потока по скорости в другой — по плотности. Усиленный по мощности поток электронов, проходя сквозь зазор выходного резонатора, возбуждает в нем электромагнитное поле. В клистронном генераторе взаимодействие потока с полем, происходящее в зазоре резонатора, носит кратковременный характер, но время пролета носителей от катода к коллектору , относительно велико. Поэтому значение параметра . Помимо двухрезонаторного выпускаются многорезонаторные клистронные генераторы, имеющие больший коэффициент усиления по мощности.
Рис. 1.5.Клистронный генератор
1.7. Генератор на лампе бегущей волны
В лампе бегущей волны (ЛБВ) электромагнитная волна со скоростью света движется вокруг специальной спирали — замедляющей структуры, возбуждаемой СВЧ сигналом. Внутри спирали от катода к коллектору движется поток носителей заряда — электронов — со скоростью ,. Фазовая скорость электромагнитной волны, вектор которой направлен вдоль спирали, на порядок меньше скорости света.
Рис. 1.6. Генератор на лампе бегущей волны
При этом добиваются следующего примерного равенства , благодаря чему происходит взаимодействие потока электронов с электромагнитной волной, движущейся в прямом направлении, которая увеличивает свою энергию по мере распространения. Увеличенный по мощности СВЧ сигнал снимается с противоположного от входа конца спирали. Существует несколько разновидностей ЛБВ, в том числе и такие, в которых взаимодействие потока электронов происходит не с прямой, а с обратной электромагнитной волной. Подобные приборы называются лампами с обратной волной (ЛОВ). В ЛБВ и ЛОВ имеет место длительное, непрерывное взаимодействие потока с полем и относительно большое время пролета носителей от катода к коллектору. Поэтому у этих приборов, как и у клистрона, значение параметра . Анализ работы различных электронных приборов позволяет выделить общие черты, свойственные всем типам ВЧ и СВЧ генераторов.
1.8. Время взаимодействия носителей заряда с электромагнитным полем
Как указывалось выше, в основе работы всех типов электронных приборов лежит общий физический принцип: взаимодействие потока движущихся носителей заряда с электромагнитным полем. Обозначим время этого взаимодействия через . Так, в биполярном транзисторе под следует понимать время переноса неосновных носителей заряда от эмиттера к коллектору, в полевом транзисторе — время переноса основных носителей заряда от истока к стоку, в электровакуумных лампах — время движения электронов от катода к аноду, в СВЧ лампах бегущей волны — время движения электронов вдоль спирали от катода к коллектору и т.д. В зависимости от обобщенного параметра , где — частота сигнала, электронные генераторные приборы можно разделить на три основные группы: 1) ; 2) ; 3) .
ВЧ генераторные приборы — электровакуумные приборы и транзисторы — относятся к первой группе; СВЧ полупроводниковые генераторные диоды — лавинно-пролетные и Ганна — ко второй, СВЧ электровакуумные приборы — к третьей. В приборах первой группы при нарушении соотношения , т.е. при частоте , резко уменьшается их выходная мощность, коэффициент усиления и КПД. Этот недостаток преодолен в приборах третьей группы. Благодаря увеличению , т.е. длительному взаимодействию потока с полем, мощность СВЧ электровакуумных приборов существенно превышает мощность СВЧ полупроводниковых генераторов. Если удастся создать полупроводниковые структуры, в которых значение будет увеличено без снижения частоты колебаний , то мощность полупроводниковых генераторов будет повышена.
продолжение
–PAGE_BREAK–1.9. Принцип синхронизма и фазировки носителей заряда с электромагнитным полем
Процессы усиления и генерации ВЧ и СВЧ колебаний сопровождаются двумя характерными явлениями. Первое связано с модуляцией потока носителей заряда по скорости и плотности (или только по плотности). В результате происходит синхронное изменение частот колебаний потока и электромагнитного поля, а также обмен энергией между ними. В этом равенстве или кратности частот колебаний потока и поля и заключается соблюдение принципа синхронизма. Однако соблюдения одного принципа синхронизма недостаточно, поскольку генерация и усиление ВЧ и СВЧ колебаний, сопровождающиеся передачей энергии от потока полю, возможны только при торможении носителей заряда электромагнитным полем. Иначе говоря, перемещение носителей заряда под воздействием высокочастотного поля должно быть противоположно их движению за счет постоянного поля. В этом и заключается сущность принципа фазировки. Для его соблюдения необходимо иметь определенную разность фаз между векторами, характеризующими поток и поле, или между током i (t), наведенным во внешней цепи, и напряжением и(t) на электродах прибора. При торможении носителей заряда полем ток i (t) и напряжение и(t) должны находиться в противофазе.
1.10. Мощность взаимодействия носителей заряда с электромагнитным полем
Мощность взаимодействия между потоком носителей заряда и электромагнитным полем, определяет мощность, генерируемую электронным прибором. Поток носителей заряда будем характеризовать током i(t), наведенным во внешней цепи, а электромагнитное поле — напряжением u(t) на электродах прибора. Из-за нелинейного характера этого взаимодействия полное использование по мощности электронных генераторных приборов имеет место при несинусоидальных формах тока и напряжения, которые представим в виде ряда Фурье:
; (1.1)
, (1.2)
где — постоянная составляющая тока; — напряжение источника питания генератора.
Процесс взаимодействия потока носителей заряда с полем или электронного прибора с электрической цепью в установившемся режиме работы можно рассматривать по каждой гармонике сигнала. Мощность взаимодействия по 1-й гармонике
(1.3)
где — комплексно-сопряженная амплитуда 1-й гармоники тока, — комплексная амплитуда напряжения.
Рис. 1.7.
Из (1.3) для активной и реактивной составляющих мощности взаимодействия получим
,
где — фазовый угол между двумя векторами (рис. 3.8).
При поток носителей зарядов отдает мощность электромагнитному полю или электронный прибор — электрической цепи.
При , наоборот, поле отдает мощность потоку зарядов и поэтому колебания в устройстве затухают, или вообще не возникают.
Неравенство соблюдается при , т.е. при выполнении условия фазировки. Мощность 1-й гармоники сигнала, передаваемая в активную нагрузку:
, (1.4)
где — разность фаз согласно рис. 1.7.
В выражении (3.3) реактивная составляющая мощности взаимодействия характеризует обмен энергией между потоком и полем по 1-й гармонике сигнала или между электронным прибором и электрической цепью.
Мощность, потребляемая электронным прибором:
(1.5)
С учетом (1.4) и (1.5) КПД генератора
Значение КПД генератора зависит от типа электронного прибора, частоты и мощности усиливаемого сигнала и колеблется от 90% в нижней части ВЧ диапазона до 3 — 5% — в верхней части СВЧ диапазона. Мощность генераторных приборов U колеблется от десятков мегаватт в импульсном режиме работы до долей ватта в непрерывном режиме.
Выводы по главе:
1. Основные электронные приборы, используемые в генераторах:
– электровакуумные приборы (триоды, тетроды и др.);
– полупроводниковые приборы (транзисторы биполярные и полевые, диоды (туннельные, диоды Ганна и лавинно-пролетные));
– клистроны;
– лампы бегущей волны;
– приборы магнетронного типа.
2. Работу различных типов электронных приборов объединяет физический принцип взаимодействия потока носителей заряда (сокращенно — потока) с электромагнитным полем (сокращенно — полем).
продолжение
–PAGE_BREAK–Глава 2. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ВЧ ГЕНЕРАТОРА С ВНЕШНИМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ 2.1. Обобщенная схема генератора с внешним возбуждением и ее анализ
Большое число разнообразных схем ВЧ генераторов с внешним возбуждением, являются частным случаем обобщенной структурной схемы (рис. 2.1, а), состоящей из трех, каскадно-включенных, четырехполюсников (ЧП) — входной и выходной согласующих электрических цепей и электронного прибора — транзистора или лампы.
Рис. 2.1. Обобщенная схема ВЧ генератора с внешним возбуждением
Назначение электрических цепей состоит в согласовании входного и выходного сопротивлений электронного прибора соответственно с источником возбуждения и нагрузкой и в фильтрации высших гармоник сигнала. Электронный прибор может быть представлен в виде генератора тока , имеющего внутреннюю проводимость входного и выходного , сопротивлений (рис. 2.1, б). Все эти элементы являются нелинейными и частотно-зависимыми. Конечная цель анализа работы ВЧ генератора (см. рис. 2.1, а) при подаче на его вход одночастотного сигнала состоит: в определении его энергетических параметров — выходной колебательной мощности ВЧ сигнала, поступающего в нагрузку, ; мощности потребления по постоянному току от источника питания ; коэффициента полезного действия (КПД) , коэффициента усиления по мощности , где — мощность входного источника сигнала;
определение условий оптимального режима работы ВЧ генератора согласно определенному критерию. Такими критериями могут являться: максимум колебательной мощности в нагрузке максимальный КПД , максимальный коэффициент усиления по мощности , минимум искажений, вносимых усилителем в сигнал, максимальная ширина полосы пропускания;
расчете и построении различных характеристик генератора: динамической, нагрузочной, амплитудной, фазоамплитудной, амплитудно-частотной, фазочастотной в одночастотном режиме работы. Определение данных характеристик дается ниже. Дополнительный анализ работы ВЧ генератора может проводиться при усилении модулированных и сложных ВЧ сигналов, например многочастотных. Перечисленные параметры и характеристики ВЧ генератора можно найти с помощью метода гармонической линеаризации (рис. 2.2).
Рис. 2.2. Принцип метода гармонической линеаризации
Электронный прибор и ВЧ генератор в целом являются нелинейными устройствами. В частности, при подаче на вход такого прибора синусоидального напряжения (рис. 2.2, а) сигнал на его выходе искажается (рис. 2.2, б). Согласно разложению функции в ряд Фурье (2.5) сигнал, приведенный на рис. 2.2, б, можно представить в виде суммы постоянной составляющей и нескольких гармоник (рис. 2.2, в). Из этой «смеси» с помощью фильтра можно выделить только 1-ю гармонику сигнала. Именно такую функцию и выполняет выходная согласующая цепь в схеме ВЧ генератора (см. рис. 2.1, а). Поэтому напряжение на нагрузке генератора снова приобретает синусоидальную форму (рис. 2.2, г).
Именно в фильтрации несинусоидального сигнала, выделении из него 1-й гармоники сигнала и преобразовании его вновь в синусоидальный сигнал и состоит метод гармонической линеаризации, лежащий в основе анализа ВЧ генератора. Сам анализ включает в себя:
— определение с помощью ВАХ электронного прибора формы тока на его выходе при подаче на вход синусоидального сигнала;
— разложение в ряд Фурье согласно (4.5) полученной несинусоидальной зависимости для тока эквивалентного генератора электронного прибора (см. рис. 2.1, б);
-определение напряжения на выходе электронного прибора; определение выходной мощности 1-й гармоники поступающей в нагрузку;
— определение потребляемой мощности от источника постоянного тока и КПД генератора;
— анализ входной цепи ВЧ генератора, определение мощности входного сигнала , и коэффициента усиления генератора по мощности ,
— выбор схемы и расчет выходной и входной согласующих электрических цепей ВЧ генератора (см. рис. 2.1, а).
продолжение
–PAGE_BREAK–2.2. Баланс мощностей в ВЧ генераторе
Поскольку в ВЧ генераторе происходят процессы преобразования энергии разных источников, то важно составить баланс мощностей для выходной и входной цепей всего устройства.
В выходной цепи происходит преобразование энергии источника постоянного тока мощностью в энергию высокочастотных колебаний мощностью . Поэтому для нее баланс мощностей имеет вид
, (2.1)
где — мощность, рассеиваемая в виде тепла в электронном приборе (в лампе — на аноде, в биполярном транзисторе — на коллекторе, в полевом — на стоке).
Мощность рассеивания можно определить как разность или с помощью определенного интеграла:
, (2.2)
где , — ток и напряжение на выходе электронного прибора. Во входной цепи первичным источником является высокочастотный генератор с ЭДС (см. рис. 2.1, а), отдающий ВЧ генератору мощность . Поэтому во входной цепи баланс мощностей имеет вид
, (2.3)
где — мощность, передаваемая источнику постоянного тока во входной цепи, если таковой имеется; — мощность, рассеиваемая в виде тепла в электронном приборе (в лампе — на управляющей сетке, в биполярном транзисторе — в базе, в полевом — на затворе).
Суммарная мощность тепла, рассеиваемая в электронном приборе, согласно (2.1) и (2.3) запишется в виде . Значение не должно превышать максимально допустимую мощность рассеивания электронного прибора, указываемую в его паспорте.
2.3. Динамические характеристики ВЧ генератора и максимально отдаваемая им мощность
Любой генератор отдает максимальную мощность в нагрузку при выполнении определенного условия. Из курса электротехники известно, что генератор с ЭДС и внутренним сопротивлением ; при и отдает в нагрузку максимальную мощность, равную , при (рис. 2.3). Мощность называется номинальной мощностью генератора.
Рис. 2.3. Определение номинальной мощности генератора.
В ВЧ генераторах оба параметра ( и ), зависящие от многих факторов, не являются постоянными величинами, и поэтому здесь условие получения максимальной мощности, передаваемой генератором в нагрузку, усложняется и вытекает из понятия «динамическая характеристика генератора по 1-й гармонике сигнала». Пусть в результате эксперимента или расчета найдены зависимости для функций напряжения и тока , на выходе электронного прибора. Пример графиков таких функций приведен на рис. 4.4, а, б. Из двух данных зависимостей, исключив время t, можно получить третью , называемую динамической характеристикой ВЧ генератора для мгновенных значений тока и напряжения (рис. 4.4, в).
Рис. 2.4.Динамическая характеристика ВЧ генератора для
мгновенных значений тока и напряжения
Разложив в ряд Фурье семейство функций и , определим первые гармоники тока и напряжения . Зависимость называется динамической характеристикой по 1-й гармонике сигнала. Пример такой характеристики приведен на рис. 4.5, г. С ее помощью определим условия передачи максимальной мощности от генератора в нагрузку. Функция является нелинейной, зависящей от частоты и мощности входного сигнала и напряжения питания. Зафиксируем данные параметры и запишем для мощности, передаваемой генератором в нагрузку:
, (2.4)
где — динамическая характеристика ВЧ генератора по 1-й гармонике сигнала (см. рис. 2.5, г); — фазовый угол между векторами и .
Найдем частную производную функции (2.4) и приравняем ее к нулю для определения экстремума функции:
, (2.5)
Из (4.5) при получим
. (2.6)
На графике функции (см. рис. 2.5, г ) условию (2.6) передачи максимальной мощности от генератора в нагрузку соответствует точка А, режиму короткого замыкания — точка В, холостого хода — точка С. Раскроем физическое содержание выражения (2.6). Под отношением
следует понимать модуль внутренней дифференциальной проводимости по 1-й гармонике сигнала эквивалентного генератора. Ее равенство проводимости нагрузки и есть условие передачи максимальной мощности (4.6), которое можно представить в виде
,
где — проводимость нагрузки, подключенной к выходу электронного прибора, на частоте 1-й гармоники сигнала.
Точку А на динамической характеристике (см. рис. 2.4, г) можно найти графическим путем как точку пересечения двух графиков согласно (2.6). Для этого необходимо в n-точках динамической характеристики определить значения ее координат и и производную как тангенс угла касательной в этой точке. Далее согласно (4.6) построим два графика:
.
Точка пересечения данных графиков определяет условия получения максимальной мощности отдаваемой ВЧ генератором в нагрузку. Чтобы убедиться в этом, следует построить график зависимости . Пример таких построений приведен на рис. 2.5. На рисунке показаны зависимости (см. рис. 2.5, а), и (см. рис. 2.5, б), (см. рис. 2.5, в).
Рис. 2.5. Условие получения максимальной мощности, отдаваемой генератором по 1-й гармонике сигнала.
продолжение
–PAGE_BREAK–