Лекция 12

Колебательные системы ГВВ на основе отрезков длинных линий. Определение геометрической длины отрезка, добротности и эквивалентного сопротивления колебательной системы (контура). Эквивалентные и действующие параметры колебательных контуров из отрезков длинных линий. Настройка контуров из отрезков длинных линий. Связь с полезной нагрузкой контуров из отрезков длинных линий. Расчёт элементов связи.

Колебательные системы (КС) с сосредоточенными параметрами, образованные конденсаторами и катушками индуктивности, применяются в диапазонах длинных, средних и коротких волн (частоты до 30 МГц) практически при любых уровнях мощности генератора. При уровне мощности генератора до (10…15) Вт КС на сосредоточенных элементах используются до частоты 150 МГц. Если выходная мощность генератора не превышает одного ватта (Вт), то КС с сосредоточенными параметрами удаётся реализовать до частот 250…300 МГц, а в отдельных случаях и несколько выше (при мощности генератора в сотни – десятки милливатт). Добротность и эквивалентное сопротивление таких КС (контуров) с повышением частоты оказываются довольно низкими, вследствие чего не удаётся обеспечить требуемое сопротивление нагрузки АЭ и, соответственно, высокий КПД контура, и нужную мощность в нагрузке. Поэтому в диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ)¹ КС с сосредоточенными параметрами находят ограниченное применение, либо вообще не могут быть использованы. КС с сосредоточенными параметрами не применяются в диапазоне СВЧ не только из-за низких значений добротности и эквивалентного сопротивления. В диапазоне СВЧ оказывается невозможным реализовать катушку требуемой индуктивности L в силу её малой величины:

где - круговая рабочая частота генератора; С - ёмкость контура, ограниченная снизу межэлектродной ёмкостью АЭ.

В диапазоне СВЧ (метровые, дециметровые и сантиметровые волны) в основном применяют КС из отрезков длинных линий, которые также называют КС (контурами) с распределёнными параметрами. Подобные КС обычно образуются сосредоточенной ёмкостью и отрезком длинной линии, являющейся структурой с распределёнными параметрами. Колебательные контуры на основе отрезков длинных линий позволяют сравнительно легко реализовать в диапазоне СВЧ КС генератора с требуемым эквивалентным сопротивлением.

В ламповых ГВВ мощностью до (1…3) кВт, работающих на частотах (30…150) МГц, обычно применяют двухпроводные линии (как правило, экранированные) или коаксиальные линии (у последних в этом диапазоне частот внутренний провод делают иногда со спиральной или с винтовой канавкой.²) Для генераторов подобной мощности, но работающих на частотах 150…1000 МГц, обычно применяют коаксиальные линии с гладким центральным проводником. В мощных ламповых генераторах во всём диапазоне 30…1000 МГц используют коаксиальные линии.

На частотах выше 1000…1500 МГц в ламповых ГВВ используют объёмные резонаторы. Однако объёмные резонаторы применяются сравнительно редко, так как для большинства отечественных генераторных ламп предельной рабочей частотой является частота 1000…1500 МГц. Объёмные резонаторы используют в качестве КС специальных электронных приборов СВЧ, в частности, клистронов, а специфичные объёмные резонаторы – в приборах магнетронного типа.

В транзисторных ГВВ СВЧ наиболее часто используют несимметричные полосковые и микрополосковые линии, реже коаксиальные и другие типы линий.

Специальные приборы СВЧ, такие как магнетроны, клистроны, изготавливаются вместе с колебательной системой, поэтому при использовании их в качестве источников электрических колебаний (генераторов) нет надобности в расчёте резонаторов. Что касается ламп, транзисторов и других полупроводниковых приборов, используемых при построении генераторов, то всегда приходится рассчитывать КС на основе выбранного типа длинной линии.

В результате расчёта КС генератора на основе отрезка длинной линии и сосредоточенной ёмкости должны быть найдены, в первую очередь, геометрическая длина отрезка линии , эквивалентное ненагруженное сопротивление , ненагруженная добротность . Затем рассчитывается связь КС с полезной нагрузкой генератора, обеспечивающая требуемый режим работы АЭ и передачу необходимой мощности в нагрузку.

При расчёте контуров из отрезков длинных линий используются уравнения длинной линии, описывающие распределение тока и напряжения вдоль проводов линии. Так как применяемые для изготовления КС линии имеют незначительные сопротивления потерь, то распределения тока и напряжения вдоль проводов линии принимаются как в линии без потерь.

Если имеется отрезок линии длиной (рис.12.1), нагруженный на одном конце на сопротивление , то распределения тока и напряжения вдоль проводов линии без учёта потерь в них и в пространстве вокруг проводов описываются следующими уравнениями:

(12.1)

(12.2)

где - комплексная амплитуда соот-
ветственно тока и напряжения в сечении, от- стоящем на расстоянии х от нагрузки ; - комплексные амплитуды тока и напряжения на нагрузке ; - волновое число ( - скорость распространения электромагнитных волн в среде, заполняющей пространство между проводами линии); - волновое сопротивление линии; - длина волны рабочих колебаний в линии.

Обратим внимание, что уравнения (12.1), (12.2) описывают распределения тока и напряжения вдоль проводов линии при возбуждении в ней колебаний, соответствующих поперечной электромагнитной волне. Именно такой тип волны желателен для использования, так как при этом получаются наименьшими геометрические размеры контура для заданной длины волны, больше эквивалентное резонансное сопротивление контура, проще реализуется связь с полезной нагрузкой и перестройка контура может быть осуществлена достаточно просто. Поперечные электромагнитные колебания являются основным типом, возбуждаемым в длинных линиях.

Для построения КС генераторов в основном используют короткозамкнутые на одном конце и разомкнутые отрезки длинных линий.

В ламповых генераторах наиболее широко используются короткозамкнутые отрезки линий, так как они позволяют получить большее значение эквивалентного сопротивления контура и упрощают подведение питающих напряжений к лампе, что особенно важно в мощных генераторах, когда напряжение питания анода составляет десятки кВ.

В транзисторных генераторах, где не требуется большое сопротивление нагрузки контура , широко применяются КС на основе разомкнутых отрезков длинных линий. При этом со стороны разомкнутого конца отрезка линии, как правило, присутствует сопротивление нагрузки конечной величины с реактивной составляющей ёмкостного характера.

Следует отметить, что реализация режима работы отрезка длинной линии с практически невозможна, так как со стороны разомкнутого конца отрезка всегда проявляется торцевая ёмкость, влияние которой возрастает с частотой. С повышением рабочей частоты могут быть также трудности в реализации , то есть в обеспечении режима короткого замыкания на конце отрезка.

Определение геометрической длины отрезка линии колебательной системы генератора. Типы используемых линий

Н
а рис.12.2 представлены две основные схемы КС – одиночных колебательных контуров на основе короткозамкнутого (рис.12.2,а) и разомкнутого (рис.12.2,б) отрезков длинных линий. Каждый контур может рассматриваться как параллельное соединение сосредоточенной ёмкости (обычно образуется межэлектродной ёмкостью АЭ) и отрезка линии длиной с волновым сопротивлением .

Чтобы в схемах (рис.12.2) имел место резонанс, отрезок длинной линии должен представлять индуктивное сопротивление, компенсирующее на интересующей частоте сопротивление ёмкости , то есть должно выполняться условие резонанса колебательного контура³, которое применительно к рассматриваемым схемам можно записать в следующем виде:

(*)

где - сопротивление ёмкости на частоте  ; - реактивная составляющая входного сопротивления отрезка линии относительно точек подключения ёмкости .

В общем случае при пренебрежении потерями в длинной линии входное сопротивление отрезка линии длиной с волновым сопротивлением , нагруженного на сопротивление , определяется согласно уравнениям (12.1), (12.2) при х = соотношением:

. (12.3)

У короткозамкнутого отрезка входное сопротивление оказывается чисто реактивным и равным

; (12.4)

у разомкнутого отрезка входное сопротивление также оказывается чисто реактивным и равным

. (12.5)