Колебательная система триодных генераторов и усилителей СВЧ

1.

2.

Как известно, в электронных лампах используется электростатическое управление электронным потоком, заключающееся в
том, что изменение напряженности электрического поля в
рабочем объеме лампы вызывает изменение числа электронов,
участвующих в создании тока. Ток лампы можно считать
безинерционной функцией напряжения, если время пролёта
электронов в межэлектродном промежутке лампы т много
меньше периода переменного напряжения Т. Такой режим
работы получил название квазистатического. Однако с
увеличением частоты время пролёта может оказаться сравнимым
с периодом переменного напряжения и связь мгновенных
значений токов и напряжений уже не будет соответствовать
квазистатическому режиму. Для учёта влияния времени пролёта
электронов на токи электродов применяется понятие наведённого
тока. Анализ влияния времени пролета электронов существенно
зависит от соотношения амплитуд переменных и постоянных
напряжений на электродах.

3.

Если амплитуда переменного напряжения много меньше постоянного напряжения, говорят о режиме малых амплитуд, если
обе величины сравнимы, имеет место режим больших амплитуд.
В режиме малых амплитуд время пролета электронов определяется постоянным напряжением на электродах, а пространственный заряд в области катод-сетка такой же, как в статическом режиме. Это позволяет создать сравнительно простую теорию электронных ламп СВЧ в режиме малых амплитуд.
Режим малых амплитуд характерен для усилителей слабых
сигналов и генераторов с низким значением КПД.

4.

Режим больших амплитуд используется в мощных усилителях и генераторах.
На рис. 2.3 показаны: z – координата электрона, отсчитываемая от катода (рис. 2.2.), t –
время, Uс – напряжение на сетке, Iкс и Iса – наведенные токи в промежутках катод-сетка и
сетка-анод, t0, t1 и т.д. показывают различные моменты вылета электронов с поверхности
катода.

5.

Если время пролета электронов сравнимо с периодом переменного напряжения на
электродах лампы, то наведенный ток становится несимметричным по форме и
имеет отрицательный выброс. Импульс наведенного тока не повторяет формы
сеточного напряжения и затягивается по времени, снижая амплитуду первой
гармоники анодного тока. Последнее приводит к снижению полезной мощности в
нагрузке.
В тетроде на экранирующую сетку подаётся положительное напряжение, сравнимое с
анодным. Поэтому электроны, прошедшие через управляющую сетку, ускоряются в
межсеточном промежутке, и полное время пролета до анода уменьшается. Импульс
анодного тока при этом менее растянут, а КПД выше, чем в триоде.
Триоды и тетроды СВЧ применяются в основном в выходных каскадах передатчиков в
качестве генераторов и усилителей средней мощности.

6.

Всякий триод с точки зрения теории цепей является активным
трехполюсником. Поэтому в общем случае внешняя цепь триода
может быть приведена к «трехточечной» эквивалентной схеме,
показанной на рисунке. Комплексные сопротивления Z1, Z2 и Z3,
входящие в эту схему, включают в себя внешнюю цепь,
междуэлектродные емкости
и индуктивности вводов лампы.
Каждое из этих сопротивлений в
общем случае может состоять из
одного или нескольких
колебательных контуров.

7.

Наиболее широкое применение в диапазоне СВЧ нашла двухконтурная схема
автогенераторов с общей сеткой. В этой схеме элементы Z1 и Z2 (рис. 4.7, а, б)
образованы полыми резонаторами. Элемент Z3, создающий связь между контурами Z1 и
Z2, на рабочей частоте не обладает резонансными свойствами. Удалив сопротивление Z3,
можно получить двухконтурный усилитель с общей сеткой, также находящий широкое
применение на сверхвысоких частотах.

8.

1. В схеме с общей сеткой внутренняя обратная связь создается за счет конечной
индуктивности сеточного вывода Lc и междуэлектродной емкости катод – анод
Сак. Во всяком триоде емкость Сак имеет наименьшую величину в сравнении с
двумя другими междуэлектродными емкостями. Индуктивность сеточного
вывода также может быть сделана минимальной при использовании дискового
вывода.Поэтому паразитная внутренняя обратная
связь в схеме с общей сеткой оказывается
более слабой, чем в схемах с общим
катодом и общим анодом.
Это особенно существенно для триодных
усилителей, склонных к самовозбуждению на
высоких и сверхвысоких частотах. В случае генераторов ослабление внутренней обратной связи,
не поддающейся регулировке, также полезно
для подбора оптимальной величины внешней
обратной связи.

9.

2. Схема усилителя и генератора с общей сеткой особенно удобна на сверхвысоких
частотах с конструктивной точки зрения. В самом деле, соединение триода с двумя
независимыми полыми резонаторами без их взаимного пересечения возможно лишь
при включении резонаторов по обе стороны от плоскости сетки. Первый полый
резонатор оказывается включенным между сеткой и катодом, второй – между сеткой и
анодом. Катод, анод и сетка непосредственно входят в состав полых резонаторов.
Недостатком схемы с общей сеткой является высокая входная активная проводимость
и, как следствие, более низкий коэффициент усиления. Однако при повышении частоты
происходит сближение величин входных проводимостей схемы с общей сеткой и схемы
с общим катодом. Таким образом, этот недостаток не может играть существенной роли
в диапазоне сверхвысоких частот. В настоящее время большинство триодных
усилителей и генераторов СВЧ выполняется по схеме с общей сеткой.

10.

Резонансная частота ω0, равная приблизительно генерируемой частоте ωген, определяется
из очевидного условия
При перестройке катодно-сеточного резонатора генерируемая мощность сильно
изменяется и проходит через максимум, хотя частота колебаний остается почти
неизменной и равной
Роль регулятора модуля и фазы обратной связи по-прежнему может выполнять
катодно-сеточный резонатор. Однако настройка обратной связи вблизи
предельной частоты триода оказывается очень критичной

11.

Основное применение в триодных генераторах и усилителях СВЧ нашли полые
резонаторы типа коаксиальной линии, нагруженной на междуэлектродную емкость
лампы. При двухконтурной однотактной схеме с общей сеткой возможны двусторонний
и односторонний варианты расположения резонаторов, показанные схематически на
рисунке.
Двусторонний (а) и односторонний (б, в) варианты расположения коаксиальных
резонаторов относительно триода: 1, 2 – катодно-сеточный и анодно-сеточный
резонаторы; 3 – короткозамыкающий поршень; 4 –короткозамыкающие поршни с
разделительными конденсаторами; 5, 6, 7 – выводы катода, сетки и анода по
постоянному току; 8 – разделительные конденсаторы.

12.

Обратная связь в триодных генераторах СВЧ: а – индуктивная связь с помощью двух
петель и коаксиальной линии; б – кондуктивно-емкостная связь с помощью
штырей; в – индуктивная связь с помощью двух петель; г – связь через отверстие в
общей стенке между двумя резонаторами.

13.

При обсуждении путей конструирования триодов, как и многих других
электровакуумных приборов СВЧ, возникает вопрос, где следует
располагать колебательную систему – внутри вакуумной оболочки лампы
или вне ее.
Внутреннее расположение резонаторов может дать и некоторые эксплуатационные
преимущества, поскольку отпадает необходимость в механическом сочленении
прибора с внешними контурами. Вывод энергии, устройство обратной связи и другие
детали колебательной системы в этом случае также находятся в вакууме. Они
должны быть подобраны и фиксированы при изготовлении лампы на вакуумном
предприятии, после чего не нуждаются в какой-либо регулировке.
Внутренние резонаторы используются иногда в мощных сверхвысокочастотных
тетродах – резонатронах.
Следует учесть также, что триоды СВЧ пока не удается использовать на
миллиметровых волнах, где внутренние резонаторы совершенно необходимы.
Приведенные соображения позволяют остановить выбор в большинстве случаев на
варианте триода СВЧ с внешними резонаторами.

14.

Маячковый
металлостеклянный
триод и
металлокерамические
триоды СВЧ (б, в):
1 – вывод анода;
2 – вывод сетки;
3 – вывод катода,
4 – вывод накала;
5 – вывод катода по
постоянному току;
6 – стекло;
7 – керамика;
8 – слюдяной
разделительный
конденсатор;
9 – штыри
кондуктивноемкостной обратной
связи.

15.

№
Тип триода
1
Маячковый
металлостеклянный
триод малой мощности
2
Металлокерамический
триод малой мощности
6,0
2
3
Металлокерамический
триод средней
мощности
Титано-керамический
триод малой
мощности
3,3
6,0
4
Макс.
Макс.
Ua, Ia,
Раб. Час- Мощность B
ma
тота, Ггц на рабочей
частоте, Вт
3,4
0,035
250 15
400
2500
K,
дБ
Fш ,
дБ
Примечание
—
—
Генерация в непрерывном
режиме
Генерация в импульсном
режиме
13*
—
Усиление
120**
12.000
1500 225 —
9000 7500
—
0,025
200
350
350
60
60
в непрерывном
режиме
Генерация в непрерывном
режиме
То же
Генерация в импульсном
режиме
10
--- Генерация в непрерывном
15** 10**
режиме. Усиление в
*
*
непрерывном режиме

16.

Тетрод СВЧ с двухрезонаторной
колебательной системой: 1 –
катод; 2 – анод; 3 –
управляющая сетка; 4 –
экранирующая сетка; 5 – входной
резонатор, 6 – выходной
резонатор; 7 –настроечные
поршни.

17.

18.

Основными областями применения современных сверхвысокочастотных
триодов являются:
1) входные усилители малого сигнала для приемников СВЧ;
2) измерительные лабораторные генераторы малой и средней
мощности;
3) генераторы и усилители средней мощности для передатчиков
телевизионной, связной и навигационной аппаратуры, для радиорелейных
линий и т. д.;
4) импульсные генераторы средней и высокой мощности, предназначенные
для передатчиков радиолокационной аппаратуры.
Кроме того, триоды СВЧ применяются в качестве преобразователей и умножителей частоты. Наиболее короткая длина волны, полученная с помощью
триодных умножителей, составляет примерно 1,5 см.

19.

Дальнейшее конструктивное усовершенствование триодов и тетродов СВЧ
может идти по следующим направлениям:
1) дальнейшее уменьшение междуэлектродных зазоров и обеспечение
более однородного электрического поля в зазорах;
2) повышение эмиссионной способности катода;
3) создание конструкций, способных работать при высокой температуре без
ухудшения состояния вакуума;
4) общая миниатюризация конструкции, разработка триодов с внутренними
резонаторами и создание интегральных СВЧ устройств.
Значительная роль в решении этих задач должна принадлежать электровакуумной технологии. Можно надеяться, что в будущем удастся еще
дальше повысить рабочую частоту сверхвысокочастотных триодов и
тетродов, а также увеличить их выходную, мощность, понизить уровень
шумов и достичь большей долговечности и надежности.