Лекция 17

ГВВ СВЧ на металлокерамических лампах. Двусторонний и односторонний варианты конструкций ламповых ГВВ СВЧ, их особенности. Расчёт режима лампового ГВВ СВЧ. Транзисторные ГВВ СВЧ.

Влияние межэлектродных ёмкостей и индуктивностей вводов электродов ламп и транзисторов на СВЧ

С повышением рабочей частоты генератора уменьшаются требуемые величины ёмкости и индуктивности контура, вследствие чего сильно возрастает влияние межэлектродных ёмкостей и индуктивностей вводов электродов АЭ: электронных ламп и транзисторов.¹ По этой причине в диапазоне СВЧ лампу или транзистор приходится рассматривать не только как источник колебаний высокой частоты, но и как часть колебательной системы генератора. В частности, ёмкость контура в выходной цепи генератора полностью или частично образуется выходной межэлектродной ёмкостью АЭ, а ёмкость входной цепи включает входную межэлектродную ёмкость АЭ.

Так как межэлектродные ёмкости АЭ входят в состав колебательной системы генератора, то через них ответвляются значительные доли контурных токов. Если же ёмкость контура целиком образуется межэлектродной ёмкостью АЭ, то через неё протекает полный контурный ток. Большие токи через межэлектродные ёмкости приводят к тому, что на вводах электродов выделяются значительные мощности, что требует порой принудительного охлаждения всех электродов АЭ.

С повышением рабочей частоты генератора начинают сказываться индуктивности вводов электродов. В частности, индуктивности вводов входных электродов АЭ приводят к увеличению требуемой мощности и амплитуды напряжения сигнала возбуждения. На увеличении мощности возбуждения особенно сказывается индуктивность ввода общего электрода АЭ: катода у лампы, эмиттера у транзистора. Падение напряжения токов высших гармоник на индуктивностях вводов входных электродов может существенно отразиться на режиме работы АЭ.² В широкополосных транзисторных ГВВ индуктивности вводов электродов и ёмкости переходов (межэлектродные ёмкости) сказываются на полосовых свойствах генератора. Влияние индуктивностей вводов входных электродов на величину мощности возбуждения можно проследить следующим образом. На рис.17.1 представлена эквивалентная схема по высокой частоте входной цепи лампы, где L_C, L_К - индуктивность ввода сетки (С) и катода (К) соответственно; С_СК -межэлектродная ёмкость сетка-катод лампы.

С читаем, что на входной ёмкости С_СК действует только гармоническое напряжение амплитудой U_МС, то есть пренебрегаем падением напряжения от высших гармоник тока сетки, если он существует, что вполне допустимо. Соответственно ток через ёмкость С_СК:

Пренебрегая реакцией анода (D = 0), будем считать, что, как и на «низких» частотах, амплитуда первой гармоники анодного тока I_А1 = S_СРU_МС, а амплитуда первой гармоники сеточного тока при его наличии: I_С1 = S_{СР С}U_МС. Соответственно амплитуда первой гармоники катодного тока I_К1 = (S_СР + S_{СР С}) U_МС.

Комплексная амплитуда тока, протекающего через источник сигнала возбуждения:

Соответственно с учётом записанных выше выражений для составляющих тока амплитуда тока через источник сигнала возбуждения согласно векторной диаграмме рис.17.2,а

.

Амплитуда напряжения от источника сигнала возбуждения:

.

В
ыражение для амплитуды напряжения источника сигнала возбуждения соответствует векторной диаграмме, представленной на рис.17.2,б, где в качестве опорного принято напряжение U_МС.

Мощность возбуждения: Р_ВОЗБ = (1/2)U_{М ВХ} I_{М ВХ} cos (φ_u – φ_i). Возрастания амплитуды напряжения сигнала возбуждения U_{М ВХ} и амплитуды тока источника сигнала возбуждения I_{М ВХ} приводят к увеличению мощности возбуждения. Более того, если принять, что сеточный ток, обусловленный перемещением электронов в лампе отсутствует, чему соответствует S_{СР С} = 0, соответственно I_С1 = 0, то мощность возбуждения, которая на «низких» частотах определяется как³ Р_ВОЗБ = (1/2)U_МС I_C1 и оказывается равной нулю, теперь имеет вполне конкретное значение.

Действительно, согласно приведенным соотношениям при отсутствии сеточного тока, обусловленного перемещением электронов от катода в направлении сетки и анода, получаем:

I_{М ВХ} = U_МС ωС_СК = I_{С СК} ; φ_i = π/2 ;

cos (φ_u – φ_i) = cos (φ_u – π/2) = sin φ_u ;

sin φ_u = (U_МС ωL_К S_СР)/U_{М ВХ} ;

Р_ВОЗБ = (1/2) U²_МС ω²С_СКL_КS_СР .

Если представить

Р_ВОЗБ = (1/2)U²_МС / r_ВХ = (1/2)U²_МС g_ВХ ,

где r_ВХ = 1/g_ВХ – активное входное сопротивление, отнесённое к участку сетка-катод лампы, соответственно g_ВХ – активная входная проводимость, то из последнего выражения следует:

g_ВХ = ω²С_СКL_КS_СР .

Таким образом, несмотря на отсутствие сеточного тока, обусловленного перемещением электронов в лампе, появляется активная проводимость во входной цепи генератора из-за наличия индуктивности ввода катода L_К. В общем случае при наличии сеточного тока, обусловленного перемещением электронов, величина которого на «низких» частотах может быть определена по статическим ВАХ и который обусловливает активную составляющую входного сопротивления генератора R_ВХ = 1/G_ВХ = U_МС /I_С1 = 1/S_{СР С} , проводимость g_ВХ добавляется к проводимости G_ВХ = 1/ R_ВХ = S_{СР С} . Следовательно, требуемая мощность возбуждения генератора возрастает и оказывается равной:

Р_ВОЗБ = (1/2)U²_МС (G_ВХ + g_ВХ).

Таким образом, наличие индуктивности ввода катода L_K обусловливает увеличение мощности возбуждения с повышением частоты и, соответственно, уменьшение коэффициента усиления по мощности ГВВ.

Отметим, что дополнительная мощность возбуждения, по сравнению с «низкой» частотой, поступает в выходную (анодную) цепь лампы.

Аналогично влияние индуктивности ввода эмиттера у транзистора.

В генераторных лампах и транзисторах СВЧ принимают все меры, чтобы уменьшить индуктивности вводов электродов и межэлектродные ёмкости. Для уменьшения индуктивности ввода катода генераторные лампы изготавливают с плоским стеклянным дном и толстыми прямыми выводами. Соединять катод с землёю (корпусом) следует как можно более коротким путём. В генераторах на лампах прямого накала для уменьшения эквивалентной индуктивности катода следует выводы накала соединять блокировочными конденсаторами большой ёмкости. Указанные меры весьма существенно снижают индуктивность ввода катода. В генераторных лампах дециметрового и сантиметрового диапазонов применяют дисковые и цилиндрические выводы электродов, что существенно снижает величину индуктивности вывода и с нею практически можно не считаться. У транзисторов СВЧ выводы электродов выполняют в виде лент-полосок или пластин, при этом вывод эмиттера или базы обычно выполняется в виде двух полосок или пластин-фланцев,⁴ что позволяет сделать индуктивность ввода этого электрода заметно меньше индуктивностей вводов остальных электродов, которые обычно учитываются в структуре входной и выходной согласующих цепей генератора. Типичный вид транзистора СВЧ показан на рис.17.3.

В конструкциях ламп и транзисторов СВЧ стремятся все нерабочие площади электродов свести к минимуму, чтобы уменьшить межэлектродные ёмкости. Вакуумные оболочки современных генераторных ламп выполняют из специальных сортов стекла и керамики с малыми диэлектрическими потерями. При этом мощные генераторные лампы изготавливаются исключительно с использованием керамики СВЧ и носят название металлокерамических ламп СВЧ. Существуют металлокерамические триоды и тетроды для работы в генераторах непрерывных колебаний или в импульсном режиме, что отражается на конструкции и размерах лампы. Отдельные типы ламп работают на частотах до 4000 МГц, обеспечивая мощность до 1 кВт. Разновидностью металлокерамических генераторных ламп являются титано-керамические триоды, имеющие мощность в непрерывном режиме порядка десятка ватт, но работающие на частотах до 7000 МГц. По габаритным размерам и массе титано-керамические триоды соперничают с транзисторами и не нуждаются в принудительном охлаждении.

Ламповые генераторы на триодах в дециметровом и сантиметровом диапазонах в основном строят по схеме с общей сеткой.⁵ В метровом диапазоне возможно применение схемы с общим катодом. Однако при этом в случае использования триода в схему часто требуется вводить нейтрализацию. Следует отметить, что предпочтение схеме с общей сеткой при использовании триодов в диапазоне СВЧ отдаётся не только в силу большей устойчивости данной схемы.

Лампы СВЧ обычно имеют оксидный катод, что позволяет работать с весьма существенными токами при относительно низких рабочих напряжениях. Исследования показали, что сопротивление потерь в оксидном катоде зависит от частоты и достигает максимума при длине рабочей волны 9…10 см, равного 1…10 Ом. В отдельных типах ламп применяют более эффективные катоды с полупроводниковыми активирующими покрытиями.

В триодном генераторе по схеме с общим катодом сопротивление потерь оксидного катода входит во входной и выходной контуры (рис.17.4,а), тогда как в триодном генераторе по схеме с общей сеткой оно входит только во входной контур (рис.17.4,б). Так как в схеме с общим катодом через сопротивление оксидного катода r_ОКС протекает практически полный контурный ток, то выделяемая на нём мощность будет заметно больше, чем в схеме с общей сеткой. Катод будет дополнительно разогреваться, что может привести к его разрушению. Поэтому даже при идеальной нейтрализации применение схемы генератора с общим катодом на СВЧ при использовании триодов сомнительно.

При использовании тетродов сопротивление потерь оксидного катода r_ОКС входит только во входной контур. Выходной контур формируется межэлектродной ёмкостью анод-экранная (вторая) сетка С_АС2 и внешней индуктивностью (рис.17.5).