zapogi.ru 1
Лекция 23



Ламповые и транзисторные генераторы


- Особенности режимов активных элементов и колебательных систем генераторов СВЧ диапазона.

- Конструкции и особенности расчета генераторов на коаксиальных, полосковых и микрополосковых линиях.

- Интегральные и гибридно-интегральные схемы СВЧ генераторов.


1. При проектировании любых СВЧ устройств, в том числе и РПУ, приходится сталкиваться с рядом трудностей:

Например, при переходе в СВЧ диапазон условия работы электровакуумного триода изменяется. Длина волны становится соизмерима и меньше характерных размеров триода.




Ток и напряжение будут поэтому разными в разных точках цепи генератора и будут функциями двух координат:. Для их расчёта необходимо решить уравнения в частных производных. Для увеличения частоты необходимо, согласно формуле





уменьшить ёмкость и индуктивность колебательного контура. В результате уже в дециметровом диапазоне длин волн они вырождаются: катушка - в виток проводника, а конденсатор вообще исчезает. Его заменяют межэлектродные ёмкости и ёмкости монтажа. Размер витка сравним с длиной волны, и он работает как антенна, излучая энергию, запасённую контуром. Кроме того, ток в проводнике вследствие скинэффекта всё более с ростом частоты вытесняется к поверхности проводника, плотность тока растёт, и увеличиваются тепловые потери. Таким образом, с ростом частоты увеличивается мощность потерь.

С ростом частоты также уменьшается период колебаний. Он становится сравним со временем пролета электрона



В этих условиях поле за время пролета электрона в области взаимодействия существенно изменяется. Часть времени электрон движется в тормозящем, часть - в ускоряющем поле. В результате уменьшается мощность активного элемента. Уменьшение мощности АЭ и увеличение мощности потерь нарушает условие самовозбуждения. Поэтому LC – генераторы не могут эффективно работать в СВЧ диапазоне.

Известны два способа устранения негативных явлений. Суть одного из них сводится к конструктивным изменениям триодного генератора. Для этого колебательный контур заменяют обычным резонатором и уменьшают таким образом тепловые потери, потери на изучение и мощность потерь в целом. Уменьшают расстояние между сеткой и анодом с 3 мм до 15мкм. В результате уменьшается время и увеличивается мощность активного элемента, и выполняются условия самовозбуждения. В результате таких конструктивных изменений были созданы триоды и тетроды СВЧ диапазона. По мощности они сравнимы с п/п генераторами и заменяются там, где возможно, п/п генераторами.

Второй способ преодоления негативных явлений заключается в использовании динамического способа управления ЭП, в котором группирование электронов осуществляется путём изменения скорости электронов. На основе этого способа созданы целый класс Э/В приборов высокой мощности: клистроны, магнетроны, и т.д. В них используются различные механизмы группирования электронов.

В настоящее время промышленность выпускает генераторные лампы этого типа, позволяющие получить при непрерывной генерации в ДЦВ мощности несколько сотен КВт, а в импульсном режиме мощности несколько десятков МВт, КПД 60-70%. Металлокерамические лампы имеют широкий диапазон перестройки рабочей частоты, хорошую линейность характеристик, сравнительно низкое анодное напряжение. Маломощные металлокерамические триоды могут работать в диапазоне до 10 ГГц.

СХЕМЫ И КОНСТРУКЦИИ ГЕНЕРАТОРОВ НА ТРИОДАХ И ТЕТРОДАХ



Ламповые генераторы СВЧ (условно будем включать сюда генераторы коротковолновой части метрового, дециметрового, и сантиметрового диапазонов) в радиопередатчиках могут работать как в режиме генератора с независимым возбуждением, так и в режиме автогенератора.

Как уже говорилось, проводимость входной цепи генераторной, лампы в этом диапазоне приобретает комплексный характер и может быть довольно значительной. Это осложняет задачу согласования входной цепи генератора с источником возбуждения, будь то предшествующая ступень передатчика (для генератора с независимым возбуждением) или выходная цепь согласуемого генератора (для автогенератора). Наиболее просто задача согласования во входных цепях решается применением настраиваемых PC, включающих в себя индуктивности соответствующих выводов и входную межэлектродную емкость. Этим объясняется широкое распространение в СВЧ-диапазоне двухконтурных схем генераторов, несмотря на то что их настройка сложнее, чем одноконтурных.

Для уменьшения блокирующего влияния индуктивностей выводов электродов следовало бы использовать в генераторе три контура. Эквивалентная схема PC в этом случае должна выглядеть так, как показано на рис. 23.1, причем индуктивности La, Lc и LK в реальном генераторе есть сумма индуктивностей выводов и внешних индуктивностей, предназначенных для настройки генератора на заданную рабочую частоту. Однако трехконтурные генераторы чрезмерно сложны в настройке, работают неустойчиво и поэтому практического применения не находят.

Конструкции современных генераторных ламп таковы, что индуктивность по крайней мере одного из выводов — или сеточного, или анодного — пренебрежимо мала. Этодает возможность сделать СВЧ-потенциал одного из электродов равным нулю (заземлить). У ламп металлокерамической серии минимальна индуктивность сеточного вывода. Поэтому металлокерамические лампы наиболее часто включают по схеме с общей сеткой (рис. 23.2), которая содержит анодно-сеточный и катодно-сеточный контуры и проходную емкость анод-катод Сак.





Индуктивности контуров включают в себя внешние индуктивности: сосредоточенные при работе в длинноволновой части метрового диапазона и отрезки линий, при работе на более коротких волнах и индуктивности анодного и катодного выводов.

В генераторах с независимым возбуждением входной сигнал подают в катодно-сеточный контур, усиленный снимают с анодно-сеточного. Коэффициент усиления в схеме с общей сеткой ниже, чем в схеме с общим катодом, однако такая схема устойчивее, так как проходная емкость Сак в 50-100 раз меньше емкости Сас (через которую возможно

паразитное самовозбуждение в схеме с общим катодом). Особенно устойчивы генераторы на металлокерамических (иногда и металлостеклянных) тетродах с кольцевыми выводами. В таких генераторах анодно-сеточный контур включают между анодом и экранирующей сеткой, катодно-сеточный — между катодом и управляющей сеткой. По СВЧ обе сетки имеют нулевой потенциал. Высокое постоянное напряжение, примерно равное анодному и поданное на экранирующую сетку, снижает влияние пролетных явлений, увеличивая скорость электронов. Кроме того, в тетродных генераторах достигается большое значение коэффициента усиления по мощности за счет большой крутизны анодно-сеточных характеристик и малых по сравнению с триодами равной мощности токов управляющей сетки.

В автогенераторах схему с общей сеткой используют потому, что имеется конструктивная возможность заземлить сеточный вывод. Заземлять катод нельзя из-за значительной индуктивности его вывода. "Положительная обратная связь, осуществляемая в этом случае через проходную емкость Сак, может оказаться недостаточной для самовозбуждения или для получения энергетически выгодного режима автогенератора (критического или перенапряженного). По этому в большинстве случаев в конструкцию автогенератора вводят дополнительные элементы обратной связи между анодно-сеточным и катодно-сеточным контурами.





Принципиальные электрические и конструктивные схемы двухконтурных автогенераторов и генераторов независимого возбуждения отличаются незначительно: в генераторах с независимым возбуждением должна быть предусмотрена связь входной (катодно-сеточной) PC с источником возбуждения, а в автогенераторах — дополнительная обратная связь.

В некоторых случаях генератор независимого возбуждения можно выполнить по одноконтурной схеме. При этом входная (сеточная) цепь делается нерезонансной.

Если с учетом дополнительных элементов обратной связи реактивность, включенная между анодом и катодом, сохранит емкостный характер (емкость Сак на рис. 23.1), то автогенератор по схеме будет эквивалентен емкостной трехточке. Частота генерации в этом случае определяется в основном настройкой анодно-сеточной PC. Коэффициент обратной связи и, следовательно, энергетика генератора сильно зависят от настройки катодно-сеточной PC. Перестройка последней слабо влияет на частоту генерации.

В генераторах коротковолновой части метрового и длинноволновой части дециметрового диапазона волн в качестве PC применяют индуктивные отрезки симметричных двухпроводных линий совместно с межэлектродными емкостями. В этих случаях симметрия PC делает особенно удобной двухтактную схему.

Двойные пентоды и лучевые тетроды со штыревыми выводами электродов используют в длинноволновой части СВЧ- диапазона в схеме с общим катодом (рис. 23.3, а). В двухтактной схеме с общей сеткой, где используют одинарные триоды, напряжение накала на подогреватели подают через трубки-проводники катодно-сеточной линии (рис. 23.4).

Так как емкости между одними и теми же электродами двух ламп (или половинами сдвоенной лампы) одинаковые, то контуры обеих схем симметричны, как это показано для анодного контура на рис. 23.3, б. Середины короткозамыкающих мостиков по СВЧ изолируют от корпуса с помощью блокировочных дросселей. Выравнивающие конденсаторы Св применяют для выравнивания СВЧ-потенциала и предотвращения излучения через трубки проводников катодно-сеточной линии. Элементы связи с источником возбуждения и с нагрузкой могут быть выполнены различными способами, но они не должны нарушать симметрию схемы.


Принципиальная схема однотактного лампового автогенератора метровых волн показана на рис. 23.5. Анодно- сеточная PC образована индуктивным входным сопротивлением анодной двухпроводной или полосковой линии длиной Lа, внутриламповой емкостью и монтажной емкостью «анод—корпус прибора». Необходимое автоматическое смещение обеспечивается цепочкой RcCc. Разделительный конденсатор Ср позволяет подключить источник анодного питания через блокировочный дроссель L к началу анодной линии. Катодно-сеточный контур LKCCK включает в себя катодный дроссель LK, который часто выполняют из посеребренной медной трубки. Щупом регулировки дросселя можно подбирать нужное значение коэффициента обратной связи В режиме с независимым возбуждением дроссель должен быть заменен вторичной обмоткой ВЧ трансформа

тора, с помощью которого обычно и осуществляется связь катодной, в данном случае входной, цепи генератора с источником возбуждения. Длина проводника, образующего LK, от вывода катода до заземленной точки должна быть менее четверти длины волны.

В ламповых генераторах на металлокерамических триодах с кольцевыми выводами электродов, как это уже отмечалось. Конструктивно удобно использовать в качестве PC короткозамкнутые отрезки коаксиальных и радиальных линий. Трубчатые проводники этих линий непосредственно или через кольцевые блокировочные конденсаторы надевают на выводы электродов, так что нет необходимости в дополнительных монтажных проводах в СВЧ-цепях. Находят применение два основных конструктивных варианта таких генераторов: с односторонним и с двусторонним расположением контуров. В первом случае (рис. 6.11) анодно-сеточная линия образована внутренней поверхностью анодной трубы и наружной поверхностью трубы, надеваемой на сеточный вывод. Внутренняя поверхность этой трубы является наружным проводником коаксиальной катодно-сеточной линии. Такая конструктивная схема особенно удобна, когда необходимо обеспечить принудительное воздушное охлаждение анода лампы, причем генератор имеет относительно небольшую длину, так как обе PC — входная и выходная — расположены одна внутри другой с одной стороны лампы. Генератор удобен при эксплуатации, заменить лампу легко.


В схеме с независимым возбуждением связь с возбудителем осуществляется с помощью петли связи, встроенной в короткозамыкающий поршень катодно-сеточной линии связьи. Связь с нагрузкой может быть выполнена любым способом (см., например, рис. 23.6). Дополнительную обратную связь, требуемую в режиме автогенерации, выполняют по одной из схем, изображенных на рис. 23.7. Для подачи напряжений питания необходимы разделительные конденсаторы, один из которых Ср1 может представлять собой металлизированное внутри и снаружи керамическое кольцо, к которому припаяны контактные пружинные ламели. Такой конденсатор надевают на анодный радиатор. Второй разделительный конденсатор Ср2 встраивают в короткозамыкающий поршень катодно-сеточной линий, конструкция которого приведена на рис. 23.8

Двусторонняя конструкция, для построения которой анодный радиатор лампы необходимо снимать, не имеет каких-либо существенных преимуществ перед рассмотренной выше и поэтому ее используют редко.

На частотах до нескольких сотен мегагерц специальные тетроды с кольцевыми выводами электродов можно применять в схемах с общей сеткой (рис. 23.9). По СВЧ экранирующая и управляющая сетки имеют один и тот же потенциал, так как межэлектродная емкость относительно ве лика. Чтобы подать напряжение на экранирующую сетку Ес2, оба короткозамыкающих поршня в PC делают с разделительными конденсаторами Применение схемы с общим катодом возможно при инверсии выводов, когда кольцевой вывод управляющей сетки располагают внутри катодного (рис 6.15). Такие схемы обеспечивают получение коэффициента усиления 25 — 30 дБ, что в свою очередь позволяет устанавливать электровакуумную лампу лишь в выходной ступени передатчика, подавая напряжение возбуждения от транзисторных ступеней. Генераторные тетроды в этом случае должны иметь цилиндрические электроды

Если в PC генератора применить отрезки полосковых линий, то можно выполнить схему с общим катодом без инверсии выводов.


Конструкция привода одновременной перестройки входной и выходной PC генераторов обычно довольно сложна. Генератор получается проще, если использовать только одну PC на его выходе. Это возможно, когда активная составляющая входного сопротивления генераторной лампы много меньше его реактивной, емкостной, составляющей, равной 1/(Сск). В этом случае напряжение возбуждения подводят по коаксиальному кабелю, который подключают к входной цепи через согласующий конический переход. Конструктивная схема такого генератора без блокировочных и разделительных элементов показана на рис. 6.16. Напряжение накала в нем подают через отверстия в проводниках конического перехода с помощью проходного изолятора, который одновременно используют как опорный.


ТРАНЗИСТОРНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ СВЧ


В настоящее время промежуточные и выходные каскады передающих устройств СВЧ малой и средней мощности часто выполняют на транзисторах. Достаточно развитые сейчас методы суммирования мощности позволяют создать полупроводниковые передатчики с выходной мощностью до единиц киловатт и выше в длинноволновой части СВЧ- диапазона

Особенности мощных транзисторов СВЧ. При применении мощных транзисторов в СВЧ-диапазоне возникает ряд трудностей, обусловленных физическими ограничениями на максимальные напряжения между электродами транзистора и максимальную плотность тока эмиттера. Частотные свойства усилительных транзисторов характеризуются значением максимальной частоты усиления fymax, при превышении которой коэффициент усиления транзистора по мощности КР в малосигнальном режиме становится меньше 3 дБ Для большинства мощных СВЧ-транзисторов эта частота близка к граничной fгр *

fгр = 3/(2Wб), (1)


где 3 — скорость перемещения неосновных носителей в базе; Wб — толщина базы.

*fгр — частота, для которой выполнено условие fгр = f|| где — коэффициент передачи транзистора по току в .схеме с общим эмиттером; f - частота, на которой измеряют . При || =1 f=fгр.Известно, что максимальное значение v3 = 105 м/с, поэтому повышение частоты frp возможно, очевидно, путем уменьшения толщины базы W6. Минимальная же толщина базовой области ограничена критическим значением напряженности электрического поля Епр, при превышении которого наступает пробой. Вводя Епр в соотношение (10.1), получаем теоретический предел произведения максимально допустимого напряжения между коллектором и базой £/кб max на граничную частоту f

Известно, что максимальное значение 3 = 105 м/с, поэтому повышение частоты frp возможно, очевидно, путем уменьшения толщины базы Wб. Минимальная же толщина базовой области ограничена критическим значением напряженности электрического поля Епр, при превышении которого наступает пробой. Вводя Епр в соотношение (1), получаем теоретический предел произведения максимально допустимого напряжения между коллектором и базой Uкб max на граничную частоту fгр



Для кремния Епр =2-105В/см и, следовательно, Uкбмах fгр=3-105 В МГц. Очевидно, для повышения fгр необходимо, чтобы Uкбмах, уменьшилось, т.е. уменьшилась бы выходная мощность транзистора.

Ограничивающим фактором является и эффект оттеснения, когда при высоких уровнях инжекции ток неосновных носителей заряда оттесняется к краю эмиттера и поэтому плотность его определяется не всей площадью эмиттера, а только ее частью, расположенной вблизи периметра. Так как существует предельное значение плотности эмиттерного тока, превышение которого ведет к разрушению прибора, эффект оттеснения ограничивает мощность транзистора.

Если же создать многоэмиттерные транзисторы, эмиттер которых выполнить в виде большого числа параллельно соединенных ячеек, то удается значительно увеличить отношение периметра эмиттера к его суммарной площади. Это в свою очередь позволяет увеличить ток, практически не увеличивая емкости переходов, и, следовательно, повысить мощность при одновременном увеличении граничной Частоты.

Анализ работы транзисторных усилителей мощности (ТУМ) СВЧ. При анализе работы ТУМ используют статические характеристики транзисторов (рис. 23.8) Удобные аналитические зависимости получают путем их линейной аппроксимации (пунктир). Параметрами аппроксимированных характеристик являются крутизна S, напряжение сдвига Е' (рис 23.8, а), а также крутизна линии критического режима SKp. Оптимальным по выходной мощности (по коэффициенту усиления) и по к.п.д. на низких частотах является критический режим. Существенное падение усиления в этом частотном диапазоне происходит только в перенапряженном режиме В диапазоне же СВЧ, где, как правило, рабочие частоты близки к граничной частоте транзистора fгp, усиление заметно снижается уже в недонапряженном режиме. На рис. 23.8, б область значительного усиления по мощности ограничена слева линией А, называемой линией граничного режима. Там же изображена и линия критического режима Б. Крутизна линии граничного режима Srp меньше крутизны линии критического режима SKp и может быть оценена по формуле





где Рвых, Вт — выходная мощность, а Ек, В — напряжение коллекторного питания транзистора в типовом режиме работы.


В области высоких и сверхвысоких частот при анализе работы ТУМ приходится учитывать инерционные явления, связанные с конечным временем движения носителей, а также емкости р-n - переходов и индуктивности выводов транзисторов. В этих целях можно использовать эквивалентную схему транзистора (рис. 23.9), на которой rб — сопротивление базы от входной клеммы прибора до активной части базы; rs — активная составляющая сопротивления эмиттерного перехода; г'к — сопротивление потерь коллектора; Са — емкость эмиттерного перехода; Ска — «активная» часть емкости коллекторного перехода (барьерная емкость обратносмещенного перехода); Скп — «пассивная» емкость коллекторного перехода (конструктивная емкость между коллектором и выводом базы). Генератор тока IК = = SпUn учитывает связь между коллекторным током и напряжением Uп на эмиттерном переходе; Lб, LK и Lэ индуктивности выводов электродов; — стабилизирующее эмиттерное сопротивление.

Элементы эквивалентной схемы LK, Lб, Lэ, Скп, rб, rэ можно считать линейными, не зависящими от токов и напряжений (иначе говоря, от режима работы транзистора); элементы Сэ, гэ, Ска и крутизна SП нелинейны и их нужно задавать в виде параметров нелинейных функциональных зависимостей (рис. 10.3). Зависимости, изображенные на рис. 10.3, а, б, в, можно аппроксимировать следующими соотношениями:




где I0 — тепловой ток коллектора при ип = 0; о — статический коэффициент усиления по току транзистора для схемы с общим эмиттером (ОЭ); т — температурный потенциал, равный 0,026 В при 300 К; qэ — заряд, накапливаемый емкостью Сэ; — граничная частота коэффициента передачи транзистора по току в схеме с ОЭ. Значения rэ, Sп и Сэ, эквивалентной схемы можно найти из соотношений (2):



Как и статические характеристики, рассматриваемые нелинейные зависимости можно аппроксимировать отрезками прямых (пунктир). При такой кусочно-линейной аппроксимации анализ работы транзисторных усилителей можно провести на основе эквивалентной схемы рис. 10.2, полагая, что rэ, Сэ, SП постоянны при иа > Е'б, а при ti„ Eб они изменяются скачком, принимая значения гв — оо, Cs = О, S — 0. Емкость Ска при аппроксимации считают линейной.

Кусочно-линейная аппроксимация может быть проведена по различным критериям. Часто за сопротивление rs ■принимают его дифференциальное значение при коллекторном токе, равном его постоянной составляющей в рабочем .режиме транзистора tK = ]к0. В этом случае








Значения ро обычно приводят в паспорте транзистора. 'Следует заметить, что значения р0 имеют для транзисторов большой разброс, поэтому при расчетах обычно выбирают




некоторое среднее значение Частоту определяют, зная •паспортное значение граничной частоты /гр:







По значению Ск = Ска + Скп, приводимому в паспорте, можно найти Ска и Скп, пользуясь приближенной зависимостью







Рекомендуется при нахождении параметров эквивалентной схемы сначала определить Sn, выраженную в А/В, по соотношению

Sn = 42,5/к1/(1 + 3,66 ■ 10"3^п),

где t°n — температура перехода в градусах Цельсия; /к1 — амплитуда первой гармоники коллекторного тока, А, а затем рассчитать г3 по второму соотношению (10.3).

В зависимости от значения высокочастотного сигнала различают два режима работы ТУМ: при малом сигнале — режим класса А и при большом сигнале — режим с отсечкой коллекторного тока класса В или С. В малосигнальном режиме транзистор рассматривают как линейное устройство, параметры его эквивалентной схемы считают постоянными и равными их значениям в рабочей точке. В режиме большого сигнала при анализе учитывают нелинейные свойства транзистора, проявляющиеся в резком изменении состояний эмиттерного и коллекторного переходов. Так как промежуточные и выходные каскады радиопередающих устройств обычно работают в режиме большого- сигнала, остановимся на анализе именно этого режима.


Анализ усложняется тем, что в общем случае и ток, и напряжение на входе транзистора при работе с отсечкой имеют негармоническую форму. Это является следствием нелинейности характеристик транзистора и конечного внутреннего сопротивления источника колебаний, подаваемых на вход усилителя. В зависимости от соотношений между полными сопротивлениями источника возбуждения, цепи, находящейся между ним и транзистором, и входа транзистора на частоте сигнала различают два основных случая: при большом внутреннем сопротивлении источника входной ток близок к синусоидальному (источник можно представить в виде эквивалентного генератора тока); при малом Rt входное напряжение приближается к синусоидальному (источник можно представить в виде эквивалентного генератора напряжения). В СВЧ-диапазоне входной ток за счет подавления высших гармоник тока индуктивностью входного электрода, а также индуктивностью цепи связи между источником колебаний и входом транзистора обычно является близким к синусоидальному.

Форма сигнала на выходных клеммах транзистора зависит от сопротивления нагрузки. Обычно считают, что нагрузка на выходных клеммах транзистора обладает фильтрующими свойствами, т. е. ее сопротивление току первой гармоники значительно превосходит сопротивление току высших гармоник. Это позволяет считать напряжение на выходных клеммах транзистора синусоидальным. Далее в СВЧ-диапазоне сопротивление гэ оказывается большим, чем сопротивление емкости Са на частоте основной гармоники, поэтому его можно не учитывать. Предполагают также, что эквивалентный генератор тока t'K = 5П (ип Е'б) работает на чисто активную нагрузку и режим транзистора— граничный.

Анализ, проведенный в рамках перечисленных допущений, позволяет выявить основные особенности усилителей с ОЭ и ОБ (общая база) и получить соотношения, по которым можно произвести их электрический расчет. В процессе такого расчета по заданным значениям выходной мощности и рабочей частоты в предположении использования транзистора в граничном режиме определяют мощность возбуждения транзистора, мощность, потребляемую им от источника питания, к. п. д. по коллектору, коэффициент усиления, входное сопротивление транзистора первой гармонике тока и сопротивление нагрузки ZH, при котором реализуется расчетный режим.


Анализ показывает, что и в схеме с ОЭ, и в схеме с ОБ значение вещественной части входного сопротивления транзистора RBll мало (порядка единиц Ом) и уменьшается с увеличением мощности транзистора.

В усилителе с ОЭ коэффициент усиления по мощности обратно пропорционален квадрату частоты, в то же время благодаря отрицательной обратной связи через индуктивность Ls он мало чувствителен к изменению нагрузки. Практика показывает, что в этих усилителях Кр уменьшается до двух-трех на частотах f