Лекция 17 (лекции по УГФС), страница 3

Н
а рис.17.13 показаны принципиальные схемы – упрощенные конструкции однотактных транзисторных генераторов СВЧ с изготовлением элементов согласующих цепей из отрезков линий.

Генераторы (рис.17.13,а, б) выполнены по схеме с ОЭ с использованием полосковых линий. В качестве блокировочных дросселей используются короткозамкнутые на одном конце четвертьволновые отрезки линий. Разомкнутые отрезки линий длиной ℓ < λ/4 могут использоваться в качестве параллельно подключаемых емкостных элементов, как в схеме рис.17.13,б. Поэтому для транзисторных генераторов СВЧ часто применяется гибридное исполнение: берётся пластина высокочастотного диэлектрика (фторопласт, ситал, поликор, кварцевая пластина) толщиной 0,5…2 мм, так называемая диэлектрическая подложка, одна сторона которой полностью металлизируется, а на другой стороне с помощью методов фотолитографии, вакуумного напыления и гальванопластики формируются полосковые линии, составляющие электрическую схему генератора. Затем впаиваются транзистор и другие дискретные элементы: блокировочные и разделительные конденсаторы, имеющие специальную конструкцию. Выводы у таких конденсаторов выполняются в виде металлизированных площадок на корпусе, что уменьшает до минимума их индуктивности и позволяет легко соединять конденсаторы с другими элементами схемы.

На рис.17.14,а представлена схема однотактного транзисторного генератора СВЧ с ОБ, элементы согласующих цепей которой полностью выполняются из отрезков полосковых линий. На рис.17.14,б показаны эскизы конструкции (топологии) элементов входной и выходной согласующей цепей из отрезков полосковых (микрополосковых) линий. Индуктивные элементы согласующих цепей выполняются из отрезков линий с узкими полосками, соответственно с большим волновым сопротивлением (до 80…100 Ом). Ёмкостные элементы согласующих цепей выполняются из отрезков линий с широкими полосками, соответственно с малым волновым сопротивлением (10…20 Ом). Небольшую регулировку (в процессе настройки генератора) индуктивностей в большую сторону и ёмкостей в меньшую сторону осуществляют уменьшением ширины линий. Для регулировки ёмкостей часто предусматривают небольшие ёмкостные площадки вблизи формируемой ёмкости, которые соединяют при необходимости добавляемыми перемычками с основной ёмкостью или отсоединяют соответственно. Для регулировки индуктивности отрезок соответствующей линии изготавливают с несколькими изгибами-петлями, закорачивая которые перемычками, можно уменьшать индуктивность.

Возможность реализации продольных индуктивных и параллельных ёмкостных элементов из отрезков линий следует из исследования формулы (12.3)⁹ для входного сопротивления отрезка линии длиной ℓ, нагруженного на сопротивление :

Если выполняется соотношение , то можно считать

Входное сопротивление представляет последовательное соединение нагрузки и эквивалентной индуктивности, величина которой L_ЭКВ определяется волновым сопротивлением линии Z₀ и длиной отрезка ℓ:

Если ℓ < λ/8, соответственно βℓ < 45°, то можно считать tgβℓ ≈ βℓ = ωℓ/υ. В этом случае

L_ЭКВ ≈ L_ПОГ ℓ = const.

То есть при относительно низком сопротивлении, нагружающем отрезок линии (формируется соответствующей частью цепи), большом волновом сопротивлении и короткой длине отрезок длинной линии эквивалентен практически сосредоточенной индуктивности L_ЭКВ в широком интервале частот. Эквивалентная индуктивность включается в цепь последовательно.

Если выполняется соотношение , то можно считать

В этом случае входное сопротивление соответствует параллельному соединению нагрузки и эквивалентной ёмкости, величина которой С_ЭКВ определяется волновым сопротивлением линии Z₀ и длиной отрезка ℓ:

Если ℓ < λ/8, соответственно βℓ < 45°, то можно считать tgβℓ ≈ βℓ = ωℓ/υ. В этом случае

С_ЭКВ ≈ С_ПОГ ℓ = const.

То есть при относительно высоком сопротивлении, нагружающем отрезок линии (формируется соответствующей частью цепи), низком волновом сопротивлении и короткой длине отрезок длинной линии эквивалентен практически сосредоточенной ёмкости С_ЭКВ в широком интервале частот. При этом эквивалентная ёмкость оказывается включенной в цепь параллельно.

Возможны также реализации последовательно включаемых индуктивных и ёмкостных элементов путём последовательного включения в цепь соответственно короткозамкнутых и разомкнутых отрезков длинных линий. При малой электрической длине отрезка βℓ < 45° величина эквивалентной индуктивности L_ЭКВ и величина эквивалентной ёмкости С_ЭКВ может считаться практически постоянной в интересующем интервале частот и определяется приведенными выше выражениями. Параллельно подключаемая индуктивность реализуется подобно блокировочному дросселю во всех представленных выше схемах генераторов. Геометрическая длина короткозамкнутого отрезка линии в этом случае ℓ < λ/4 и зависит от волнового сопротивления линии и требуемой эквивалентной индуктивности. Параллельно подключаемая ёмкость может быть также реализована в виде параллельно подключаемого разомкнутого отрезка линии длиной ℓ < λ/4, как показано на рис.17.13,б.

Следует отметить, что колебательные системы (согласующие цепи) транзисторных генераторов СВЧ по своей структуре аналогичны соответствующим цепям на сосредоточенных элементах, применяемым в транзисторных генераторах на более низких радиочастотах, где, как отмечалось,¹⁰ наиболее часто используется П-контур. Отличие на СВЧ в том, что индуктивные и ёмкостные элементы соответствующей цепи реализуются на основе отрезков длинных линий.

Согласующие цепи широкополосных транзисторных генераторов обычно представляют многозвенные полосовые или квазиполосовые цепи.

Двухтактные транзисторные генераторы СВЧ строятся по аналогичным схемам с реализацией элементов согласующих цепей из отрезков линий. В нижней части диапазона СВЧ широко применяются двухтактные генераторы на трансформаторах линиях (ТЛ).¹¹

Межкаскадные связи и промежуточные каскады на СВЧ

Назначение межкаскадных связей в диапазоне СВЧ как и на высоких частотах: обеспечение необходимой мощности возбуждения каскада при требуемом напряжении или токе. Однако построение межкаскадных связей в диапазоне СВЧ часто существенно отличается от диапазона высоких частот. Это обусловлено тем, что каскады обычно находятся на некотором удалении друг от друга, которое на СВЧ сравнимо с длиной рабочей волны. Последнее обстоятельство заставляет вводить в цепь межкаскадной связи линию – фидер. Если электрическая длина фидера βℓ_Ф ≤ π/4, что имеет место при геометрической длине фидера ℓ_Ф ≤ λ_Ф/8, где λ_Ф – длина волны в фидере, то можно не добиваться согласования фидера с входной цепью возбуждаемого каскада, так как при малой электрической длине фидера напряжение и ток вдоль него практически остаются без изменений. Ели βℓ_Ф > π/4, то есть ℓ_Ф > λ_Ф/8, то необходимо обеспечивать согласование фидера с входной цепью возбуждаемого каскада, чтобы облегчить передачу требуемой мощности возбуждения.

Межкаскадные цепи СВЧ могут быть разделены на три вида:

1. Имеется контур в выходной цепи предыдущего каскада и во входной цепи последующего каскада;

2. Выходная цепь предыдущего каскада и входная цепь последующего каскада образуют один контур;

3. Имеется контур в выходной цепи предыдущего каскада, а во входной цепи последующего каскада контур отсутствует.

П
ри наличии контуров во входной и выходной цепях генераторов и при условии близкого расположения каскадов цепь межкаскадной связи может быть построена с использованием связанных линий. В ламповых генераторах такая связь реализуется при использовании двухпроводных линий и симметричных полосковых линий с проводами круглого сечения между проводящими пластинами (поверхностями).¹² Двухпроводные линии применяются в двухтактных генераторах, а симметричные полосковые линии в однотактных генераторах. В случае транзисторных генераторов подобная связь может быть реализована при использовании несимметричных полосковых или микрополосковых линий. Однако практическая реализация такой связи в транзисторных генераторах неизвестна.

На рис.17.15 показана упрощенная реализация рассматриваемого вида связи в ламповых генераторах с контурами из отрезков двухпроводных линий (рис.17.15,а) и полосковых линий (рис.17.15,б). В случае полосковых линий длины контуров обычно делают одинаковыми. Для этого подбирают волновые сопротивления линий, соответственно и диаметры проводов, чтобы выполнялось условие:

С₀₁Z₀₁ = С₀₂Z₀₂,

где С₀₁, С₀₂ – сосредоточенные ёмкости входного и выходного контуров; Z₀₁, Z₀₂ – волновые сопротивления линий.

Е
сли каскады располагаются на некотором удалении, то контуры соединяют с помощью фидера, например, как показано на рис.17.16.

Фидер должен быть согласован со входным (катодно-сеточным) контуром, для чего необходимо, чтобы эквивалентное сопротивление входного контура, пересчитанное к концу фидера, было равно волновому сопротивлению фидера Z_0Ф. Необходимая величина сопротивления связи Х_СВ, реализуемая с помощью петли связи L_СВ в примере рис.17.16, может быть найдена следующим образом.

Вносимое сопротивление из входного контура в фидер:

где r_КЗ – эквивалентное сопротивление входного контура, пересчитанное к короткозамыкателю. Величина его находится из соотношения:

где I_M – ток в короткозамыкателе; U_MC – амплитуда напряжения возбуждения, равная напряжению на входе контура со стороны подключения участка сетка-катод лампы:

Z₀ – волновое сопротивление линии входного контура; - эквивалентное сопротивление входного контура с учётом входного сопротивления генератора (лампы).

Очевидно, согласно приведенным соотношениям,