Электротехника и электроника (стр. 18 )

Чтобы получить представление о видах генераторов рассмотрим их классификацию.

В самом общем случае различают: автогенераторы (АГ) или генераторы с самовозбуждением и генераторы с внешним возбуждением (ГВВ).

По диапазону частот генераторы радиосигналов делятся:

низкочастотные (300 кГц < fр < 3 МГц); коротковолновые (3 МГц < fр < 30 МГц); ультракоротковолновые (30 МГц < fр < 300 МГц); сверхвысокочастотные (fр > 300 МГц).

По типу активного элемента различают:

ламповые генераторы (используются в старых авиационных системах); транзисторные генераторы (используются во всем диапазоне частот до частоты 300 МГц); полупроводниковые (используются в авиационных системах в качестве задающих маломощных генераторов на частотах свыше 300 МГц); генераторы на электровакуумных приборах с динамическим управлением электронным потоком (используются в авиационных системах повышенной мощности на частотах свыше 300 МГц).

По назначению различают:

усилители мощности (ГВВ); задающие генераторы (АГ); гетеродины (АГ); умножители частоты (ГВВ); усилители промежуточной частоты (ГВВ); усилители радиочастоты (ГВВ).

По виду сигнала различают:

генераторы непрерывных колебаний; импульсные генераторы.

По ширине полосы пропускания различают:

широкополосные генераторы; узкополосные генераторы.

4.1.2. Принцип построения генератора

Определение. Генератором называется устройство, в котором происходит преобразование энергии источника постоянного тока в энергию токов высокой частоты.

Согласно определения в состав генератора должны входить как минимум источник питания и элемент, в котором могут возникнуть высокочастотные колебания при нарушении электрического равновесия.

Простейшая схема генератора представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Упрощенная схема генератора гармонических сигналов

На рисунке ключ предназначен для кратковременного подключения источника питания к колебательному контуру.

При кратковременном замыкании ключа в цепи потечет ток. При этом, ток в цепи катушки не успевает нарасти до заметной величины вследствие явления самоиндукции (ЭДС препятствует изменению тока). Следовательно, ветвь контура, где находится катушка индуктивности, будет практически разорвана. Конденсатор за короткое время зарядится и накопит некоторую энергию.

При отключении источника конденсатор начнет разряжаться через катушку и в контуре возникнут колебания.

Необратимые потери энергии в колебательной системе, вызывающие уменьшение амплитуды колебаний, должны непрерывно компенсироваться, то есть для получения незатухающих колебаний необходимо, чтобы за один период колебаний в колебательный контур вносилось столько энергии от источника, сколько в ней теряется. Для обеспечения этого условия необходимо подключать источник питания к контуру в ту часть периода, когда одна пластина конденсатора, соединенная с положительным зажимом источника, заряжена положительно. В этом случае конденсатор будет подзаряжаться, то есть энергия от источника будет поступать в контур.

Это условие, определяющие количественную сторону пополнения энергии в колебательной системе, называется балансом амплитуд.

       Sср β Zэ = 1        (1)

Если подключить источник в ту часть периода, когда на пластине конденсатора, соединенной с положительным зажимом источника, действует отрицательный потенциал, то источник будет разряжать конденсатор (конденсатор стремиться перезарядиться). В этом случае энергия от источника не поступает в контур. Условие своевременной подачи энергии в колебательный контур называется условием баланса фаз.

       φs + φβ + φZ = 2πn        (2)

Таким образом, для пополнения энергии в контуре следует с помощью ключа на полупериоде подключать источник к контуру и в следующий полупериод – отключать.

Управлять количеством и своевременным поступлением энергии можно двумя способами. Либо посредством положительной обратной связи (АГ), либо посредством внешнего управляющего колебания (ГВВ).

Принципиальные схемы ГВВ и АГ приведены на рисунке 2 соответственно.

 

       а)                б)

Рисунок 2. Принципиальные схемы а) ГВВ, б) АГ

4.2. Общие сведения о генераторах СВЧ диапазона

В СВЧ диапазоне обычные приборы (диоды, транзисторы) находят применение только в схемах, работающих с маломощными сигналами. В диапазоне же больших мощностей в настоящее время широко применяются электровакуумные приборы с динамическим управлением электронным потоком.

Рассмотрим принципы построения генераторов на полупроводниковых диодах и электровакуумных приборах с динамическим управлением электронным потоком.

Генераторы на электровакуумных приборах с динамическим управлением электронным потоком

В СВЧ диапазоне обычные приборы (диоды, транзисторы) находят применение только в схемах, работающих с маломощными сигналами (единицы ватт). В диапазоне же больших мощностей (сотни киловатт – единицы мегаватт) в настоящее время широко применяются электровакуумные приборы с динамическим управлением электронным потоком, к которым относятся лампы бегущей волны (ЛБВ), лампы обратной волны (ЛОВ), клистроны, магнетроны и др.

Все электровакуумные приборы СВЧ можно разделить на две основные группы, различающиеся направлением и назначением постоянного магнитного поля. К первой группе так называемых приборов типа «О» относятся лампы, в которых электроны движутся вдоль статического электрического поля; магнитное поле в них или не используется совсем, или применяется только для фокусировки электронного потока и принципиального значения для процесса энергообмена не имеет. Вторая группа ламп называется приборами типа «М» и отличается тем, что электроны движутся во взаимноперпендикулярных (скрещенных) постоянных электрическом и магнитном полях по сложным траекториям.

Принцип действия электровакуумных приборов СВЧ основан на создании электронного пучка необходимой формы и плотности, ускорении электронного пучка с целью приобретения необходимой энергии, модуляции электронного пучка по плотности и передачи энергии ускоренного и модулированного по плотности пучка электронов колебательной системе.

Процесс создания электронного пучка необходимой формы представлен на рисунке 3. Для ускорения электронов пучка используется статическое электрическое поле, возникающее при приложении между катодом и ускоряющим электродом напряжения U0 источника постоянного тока. Это напряжение создает электрическое поле с напряженностью

,

где d – расстояние между электродами.

Если принять заряд электрона е, то поле будет действовать на электрон с силой

       .

Под действием этой силы электроны увеличивают свою скорость υе, приобретая дополнительную кинетическую энергию

       ,

где m0 – масса электрона.

Подставив значения массы и заряда электрона m0 = 9,11⋅10-31 кг и е = 1,6⋅10-19 Кл, найдем скорость, приобретаемую электронами

       .

Важным параметром ускоренных электронов, характеризующим влияние инерции электронов на работу прибора, является угол пролета и, определяемый произведением 2π на отношение времени пролета

между двумя электродами с расстоянием d к периоду колебаний Т.

Угол пролета показывает, на сколько изменилась фаза напряжения U0 за счет движения электрона между электродами.

       .

Модуляция электронного пучка по плотности осуществляется посредством модуляции электронов по скорости.

Наибольшее распространение получили два метода модуляции электронного пучка по плотности. Первый из них основан на кратковременном взаимодействии электронов с СВЧ-полем. Схема, поясняющая этот метод, показана на рисунке 4. Ускоренный электронный пучок входит в зазор между двумя металлическими сетками. К зазору подводится высокочастотное напряжение, создающее переменное электрическое поле, составляющая вектора напряженности, которого Еz в течение одной половины периода противоположна направлению вектора скорости электронов υe, а в течение второй половины периода – совпадает с ним. В соответствии с этим, электроны, попавшие в зазор во время первого полупериода, ускоряются и увеличивают свою скорость, а во время второго полупериода, наоборот, тормозятся и уменьшают свою скорость. При выходе из зазора и дальнейшем движении (дрейфе) в пространстве группирования электроны, летящие впереди, отстают, а последующие их догоняют, группируясь в сгустки вокруг электронов, скорость которых при прохождении зазора не меняется. Длина пространства группирования выбирается оптимальной для обеспечения максимальной глубины модуляции электронного пучка по плотности.

При втором методе используется длительное взаимодействие электронов с СВЧ-полем. Схема, поясняющая этот метод, показана на рисунок 5.

В этом случае электронный поток движется совместно с электромагнитным полем бегущей волны. Напомним, что направление вектора электрического поля Ez и направление силы Fz, с которой действует это поле на электрон, противоположны. Будем полагать, что скорость движения электронного пучка υe и фазовая скорость волны υф одинаковы. При данном условии поле и пучок можно рассматривать неподвижными относительно друг друга (t = const). В соответствии с этим в сечениях 3 – 3/ (рисунок 5), где поле равно нулю, взаимодействие между полем и электронами пучка отсутствует. Электроны, находящиеся под воздействием положительной полуволны, ускоряясь, приближаются к плоскости 3 – 3/ слева, а электроны, оказавшиеся в поле отрицательной полуволны, замедляясь, приближаются к этой же плоскости справа. Другими словами, электроны, двигаясь совместно с электромагнитной волной, группируются в тех плоскостях, где проходит изменение знака Ez с положительного на отрицательный.