Материал: 1210

11

ности в автогенератор необходимо применять построение ламповых усилителей мощности, собранных по схеме с общей сеткой. Это и является причиной того, что в диапазоне СВЧ в каскадах, построенных на электронно - вакуумных лампах, не используют схемы с общим катодом.

Увеличение необходимой мощности возбуждения объясняется следующими причинами. Пусть на участке сетка-катод действует напряжение UCK

(рис. 1.1, а). Под действием этого напряжения через лампу пройдет ток IK в фазе с данным напряжением UCK , который создает на индуктивности вывода катода напряжение U K , опережающее ток на 90°. Векторная сумма напряже-

ний UCK и UK должна равняться результирующему напряжению возбуждения Up (рис. 12.1, 6). Из рис. 12.1, б видно, что наличие паразитной индуктивности катодного вывода приводит к увеличению требуемого напряжения возбуждения и, следовательно, к увеличению мощности возбуждения, т. е. к уменьшению коэффициента усиления по мощности. Попытки устране-

ния этого нежелательного явления шли по пути создания ламп с выводами в виде широких лент и прямых толстых стержней, непосредственно впаиваемых в баллон лампы без цоколя.

Индуктивность таких выводов настолько мала, что с ней практически можно не считаться во всем диапазоне дециметровых и метровых волн.

С ростом частоты резко возрастают потери в диэлектриках баллона ламп, в выводах и других элементах конструкции. На СВЧ через междуэлектродные емкости сетка-катод, анод-сетка под действием приложенных к ним напряжений будут протекать емкостные токи, которые во много раз могут превышать электронные токи, протекающие в данных цепях. Но емкостные токи превращаются в электронные на электродах лампы и создают значительные потери в выводах. Эти потери увеличиваются благодаря росту ак-

Рисунок 1.1 - Влияние паразитной индуктивности катодного вывода на работу лампового усилителя

тивного сопротивления выводов с частотой вследствие поверхностного эффекта.

Составляющая активного сопротивления проводников rf , обусловленная поверхностным эффектом, изменяется с частотой по закону

rf Kr0 f ,

12

где К - размерный коэффициент; r0 - сопротивление проводника постоянному

току.

Следовательно, потери в выводах лампы растут пропорционально частоте очень резко, что приводит к местным перегревам. Применение цилиндрических выводов электродов обеспечивает их малое активное сопротивление, т. е. снижает rf .

С ростом частоты растут потери не только в проводниках, но и в диэлектриках. Они тем больше, чем чаще под действием приложенного переменного поля должны переориентироваться поляризованные молекулы диэлектрика. Рост потерь в диэлектриках приводит к снижению КПД устройства.

Все перечисленные недостатки привели к разработке конструкций так называемых металлокерамических ламп (нувисторов), характерной особенностью которых является применение керамики вместо стекла, дисковых выводов вместо проволочных (рис. 1.2, а). Включают такие лампы непосредственно в коаксиальные колебательные системы, с которыми лампы образуют единое целое, реализуя основной принцип конструирования приборов СВЧ - диапазона. Данная конструкция ламп позволила применять их практически во всем метровом диапазоне и отчасти в дециметровом для маломощных усилителей. Эквивалентная схема такого усилителя мощности показана на рис. 1.2,

б).

Катодный контур создается междуэлектродной емкостью лампы CCK

(см. рис. 1.2, а) и отрезком коаксиальной линии, образованной внешней поверхностью катодной К трубы и внутренней поверхностью сеточной С трубы.

Рисунок 1.2 - Конструкция и эквивалентная схема усилителя мощности (УМ) на металлокерамической лампе

Анодно-сеточный контур состоит из емкости САС и отрезка коаксиальной линии, образованной внешней поверхностью анодной А трубы и внутренней поверхностью сеточной С трубы. Связь с нагрузкой осуществляется, например, емкостным способом с помощью небольшой плоской пластинки, помещенной в пучность электрического поля и соединенной с коаксиальным

13

кабелем. Аналогичным образом производится подача сигнала возбуждения в катодно-сеточный контур. Разделение цепей по постоянному току осуществляется с помощью тонких прокладок из диэлектрика, вставляемых между трубами и цилиндрическими выводами электродов ламп. Образующиеся при этом разделительные конденсаторы представляют собой для токов высокой частоты короткое замыкание.

Автогенераторы на металлокерамических лампах. В диапазоне мет-

ровых и дециметровых волн применяют двухконтурные автогенераторы с обратной связью через одну из междуэлектродных емкостей. Так как на СВЧ нестабилизированные междуэлектродные емкости металлокерамических ламп составляют основную емкость колебательной системы, стабильность частоты автогенераторов СВЧ получается намного ниже, чем на более длинных волнах. Поэтому в передатчиках с высокой стабильностью частоты задающие генераторы работают в диапазоне средних волн, а затем их частота умножается в необходимое число раз. В основном автогенераторы в диапазоне СВЧ применяют в радиолокационных системах в виде мощных импульсных однокаскадных передатчиков. Широкая полоса спектра импульсного сигнала приводит к тому, что предъявлять жесткие требования к стабильности частоты нет необходимости.

Основной особенностью двухконтурных автогенераторов СВЧ является то, что под влиянием паразитных реактивных элементов схемы, проявляющихся тем сильнее, чем короче длина волны, двухконтурный автогенератор превращается в трехконтурный. Эквивалентная схема генераторного триода на СВЧ показана на рис. 1.3. Обратим внимание на то, что на металлокерамической лампе в силу ее конструктивных особенностей реализовать одноконтурный автогенератор невозможно принципиально.

Соединив точки А, С, К, получим трехконтурный автогенератор, если же можно пренебречь одной из индуктивностей, то приходим опять к двухконтурной схеме. Для того чтобы автогенератор вырабатывал колебания, необходимо выполнение баланса фаз и баланса амплитуд. Эти условия можно обеспечить подбором соответствующих значений реактивных элементов L и С схемы. Так как емкости, входящие в состав колебательных систем автогенератора, являются междуэлектродными, то изменять их значение не представляется возможным. Поэтому настройку автогенератора в большинстве случаев можно осуществлять специально включенными в электродные цепи индуктивностями, изменение значений которых по-разному влияет на характеристики автогенератора. Если изменяется индуктивность, включенная в катодную цепь, то значительно изменяется коэффициент обратной связи k и незначительно - частота f генерируемых колебаний. Если изменяются индук-

тивности, включенные либо в анодную, либо в сеточную цепь, то резко меняются частота колебаний f и коэффициент обратной связи k.

14

Отсюда вытекают важные практические выводы. Индуктивность в катодной цепи, оказывая существенное влияние на коэффициент обратной связи, т. е. регулируя баланс амплитуд, в незначительной степени изменяет частоту колебаний, т. е. не влияет на баланс фаз. Следовательно, для настройки генератора следует изменением индуктивности в анодной или сеточной цепи установить заданную частоту (баланс фаз), а затем регулировать генератор на получение оптимального режима путем изменения индуктивности в катодной

Рисунок 1.3. - Эквивалентная схема триода на СВЧ

цепи (устанавливать баланс амплитуд, не влияя на баланс фаз).

В схеме с общим катодом LK 0 , поэтому можно проводить регулирование только с помощью индуктивностей LC и LC . Но в этом случае измене-

ние баланса амплитуд неизбежно влечет за собой изменение баланса фаз, и наоборот. В результате может сложиться ситуация, когда одновременное получение баланса амплитуд и баланса фаз невозможно. Это является причиной того, что в диапазоне СВЧ используют не схему автогенератора с общим катодом, а либо схему с общей сеткой, либо с общим анодом.

В схеме автогенератора с ОС (рис. 1.4, а) в качестве анодно-сеточного контура используется отрезок короткозамкнутой длинной линии с емкостью С на входе, перестраиваемой с помощью подвижной перемычки. Катодносеточный контур образуется емкостью С с вариометром в цепи катода L. Этот контур замыкается на землю благодаря наличию емкости автосмещения CC .

В цепи катода показаны высокочастотные дроссели, назначение остальных элементов - как в обычных автогенераторах.

В схеме с ОА (рис. 1.4, 6) анодно-сеточный контур автогенератора образован емкостью CAC и отрезком короткозамкнутой линии Блокировочный

конденсатор CБ замыкает анод по высокой частоте на землю, а конденсатор С

отделяет сетку от анода по постоянному току. Оба они одновременно служат емкостью цепи автосмещения которая хотя и работает за счет сеточного тока, но перенесена к заземленному аноду. Анодно-катодный контур образован индуктивностью LK в цепи катода триода и емкостью CAK , которая благодаря

заземлению анода по высокой частоте присоединяется к ней параллельно Конденсаторы в цепи катода выравнивают потенциалы высокой частоты на выходе нити канала и на концах дросселей.

15

Иногда для увеличения мощности автогенератора применяют двухтактные схемы. Кроме того, в таких схемах междуэлектродные емкости ламп подключаются к внешним цепям последовательно благодаря чему их эффективная емкость уменьшается в 2 раза

Практически во многих авиационных радиоустройствах метрового и дециметрового диапазонов волн используют металлокерамические лампы. К таким устройствам относятся

самолетные дальномеры,

передатчики радиосистем ближней навигации, радиомаяки, бортовые ответчики и т. д.

Однако применение металлокерамических ламп в нижней части дециметрового диапазона волн, а тем более в сантиметровом диапазоне становится практически невозможным. Это связано с дальнейшим уменьшением нагрузочной способности усилителей и с нарушениями электронного режима в лампе вследствие того, что время пролета электронами междуэлектродных промежутков становится соизмеримым с периодом высокочастотных

колебаний. Об этом говорилось выше как об одной из особенностей диапазона СВЧ.

Для того чтобы ослабить эти нежелательные эффекты, в лампах СВЧ стараются по возможности уменьшить расстояние между электродами и увеличить действующие ускоряющие напряжения. Однако эти меры противоречивы. Так, уменьшение междуэлектродных расстояний неизбежно приводит к снижению мощности ламп и увеличению междуэлектродных емкостей. Увеличение же анодного напряжения приводит к ухудшению нагрузочной способности усилителя.

Эти противоречия еще можно решать в метровом диапазоне и в верхней части дециметрового диапазона. Однако дальнейшее укорочение длины вол-