Формирование и передача сигнала_lekc

Энергетически выгодна работа транзистора с большим углом отсечки, при этом режим возбуждения колебаний жесткий. Для того, чтобы транзистор работал с углом отсечки после возбуждения колебаний в мягком режиме, применяют автоматическое смещение: в цепь эмиттера устанавливают параллельно соединенные резистор и конденсатор. Напряжение смещения появляется после возникновения автоколебаний.

Конструктивно проще генераторы, выполненные по схеме "трехточки" . Индуктивная трехточка (рис.57а) позволяет изменять частоту генерации в широких пределах, используя конденсатор переменной емкости. Емкостная трехточка (рис. 57б) проще по конструкции.

Для генерации колебаний в схеме трехточки необходимо, чтобы между коллектором - эмиттером и эмиттером - базой были включены одинаковые реактивности. При этом условии ток контура ik, как видно из эквивалентных схем, создает напряжение Uбэ, противофазное напряжению Uкэ. При резонансе суммарное сопротивление всех реактивных элементов контура равно 0, нагрузка транзистора активная и, т.к. усилитель инвертирующий, напряжение Uкэ в противофазе с напряжением Uбэ. В результате возникает баланс фаз. Т.к. реактивности Х1 и Х2 одного знака, для выпол-

нения условия Х1+Х2+Х3=0 знак реактивности Х3 должен быть противоположный, а Х3 > Х1 .

На практике достаточно часто применяются генераторы, в которых реактивными элементами являются контура, последовательные или параллельные. Условия возбуждения колебаний в этих генераторах такие же, как в схеме трехточки. Каждый контур настраивается так, чтобы его эк-

вивалентное сопротивление на частоте генерации, в зависимости от места включения контура, было индуктивным или емкостным.

10.2. Кварцевые генераторы

Частота одноконтурного LC - генератора определяется эквивалентными параметрами колебательного контура, зависящими от вносимых комплексных сопротивлений усилительного элемента и цепи нагрузки. Нестабильность эквивалентных параметров вследствие изменений рабочей точки усилительного элемента, напряжения питания, температуры и т.д. является причиной нестабильности частоты генератора. Для уменьшения нестабильности частоты применяют термостатирование, различные схемы стабилизации и компенсации, изготовленные по специальной технологии радиодетали. Увеличению стабильности частоты способствует увеличение добротности: увеличивается крутизна фазочастотной характеристики контура и ослабляется влияние паразитных фазовых сдвигов на резонансную частоту.

Высокой добротностью и стабильностью параметров обладает кварцевый резонатор, представляющий собой вырезанную из кристалла кварца пластину с металлическими обкладками - электродами. Кварцевая пластина, как упругое тело, обладает резонансной частотой механических колебаний. Свойства резонатора зависят от размеров, формы и плоскости среза пластины (по отношению к осям кристалла - оптической, электрической и механической). При подаче на электроды переменного напряжения в пластине возникают механические колебания (обратный пьезоэффект), которые в свою очередь вызывают появление зарядов на обкладках (прямой пьезоэффект). В результате пьезоэффекта ток цепи на резонансной частоте усиливается во много раз по сравнению с током через резонатор как через обычный конденсатор.

Кварцевый резонатор ведет себя как электрический контур, показанный на рис. 58а, где С0- емкость кварцедержателя, эквивалентная индуктивность Lк характеризует колеблющуюся массу пластины, эквивалентная емкость С к – величину, обратную упругости пластины, rк - потери энергии колебаний. Для уменьшения потерь кварцедержатель подсоединяют в узлах механических колебаний. Согласно схеме рис. 58 кварц имеет две резонансные частоты: последовательного и параллельного резонанса. Значение С0 много больше, чем Ск , поэтому разница частот незначительна: от сотен до нескольких тысяч герц. Характер изменения активной (rэк) и реактивной (Хэк) составляющих эквивалентного сопротивления контура кварцевого генератора показан ни рис. 58б.

На практике применяются различные схемы построения кварцевых генераторов: с резонатором, выполняющим роль индуктивного сопротивления в схеме трехточки , индуктивной или емкостной, с резонатором в цепи обратной связи и т.д. Чаще всего резонатор работает на частоте последовательного резонанса.

11. Приборы для усиления и генерации колебаний СВЧ

Для усиления и генерации колебаний СВЧ-диапазона применяют электровакуумные приборы (клистроны, лампы бегущей волны, магнетроны) и полупроводниковые приборы (транзисторы, лавинно-пролетные диоды, диоды Ганна).

Клистроны бывают пролетные и отражательные, по назначению разделяются на усилительные, генераторные и умножительные (применяются в умножителях частоты). Чаще всего применяются пролетные клистроны в промежуточных и выходных каскадах радиопередающих устройств. Принцип работы усилительного пролетного двухрезонаторного клистрона поясняет рис.59. Электроны, излученные катодом, движутся по пролетной трубе к аноду - коллектору, проходя между двумя парами сеток. Сетки соединены с резонаторами, образованными замкнутыми полостями прямоугольного сечения. Сетки, которые играют роль конденсатора, вместе с резонаторами, играющими роль индуктивности, образуют колебательный контур. К резонаторам подведены коаксиальные линии - входная и выходная. Окна волноводов закрыты диэлектриком, не пропускающим воздух внутрь баллона клистрона (прибор вакуумный).

Электроны разгоняются в области "ускорения" между катодом и первой парой сеток. Проходя между сетками, электроны взаимодействуют с электрическим полем. Вектор напряженности переменного поля перпендикулярен плоскости сетки. В зависимости от знака направления поля в

момент прохождения электрона между сетками он ускоряет или замедляет свое движение. На рис.59б показаны пунктиром графики пути электронов, движущихся с различными скоростями в области дрейфа между парами сеток. Различие скоростей приводит к образованию сгустков электронов в потоке и пульсациям коллекторного тока. Пульсации создают переменное электрическое поле между сетками второй пары, первая гармоника поля (U2) усиливается резонатором. Для того, чтобы энергия потока электронов передавалась полю, сгустки электронов должны входить в межсеточное пространство "взаимодействия" в тот момент, когда поле является тормозящим.

Группировка электронов улучшается и, соответственно, пульсации электронного потока усиливаются, если вдоль пролетной трубы установить несколько пар "холостых" резонаторов, не имеющих связи с входным и выходным волноводами. Многорезонаторные клистроны обладают более высоким коэффициентом усиления и к.п.д. Нагрев коллектора у них меньше. Полоса пропускания многорезонаторного клистрона, как и у

-ускорения

катод в

Рис.59

многоконтурной резонансной системы, уже, чем у двухрезонаторного. Изменением настройки холостых резонаторов можно расширить полосу пропускания. Перестройка резонатора осуществляется путем деформации гибкой стенки или применением подвижной стенки. Сдвиг по фазе выходного напряжения относительно входного составляет тысячи градусов угла. При малых отклонениях от резонансной частоты фазочастотная характеристика близка к линейной.

При синхронной настройке резонаторов получают максимальный коэффициент усиления и максимум выходной мощности Рвых при определенной входной мощности Рвх (амплитудная характеристика "1" на рис.59в). Расстройкой одного из холостых резонаторов удается увеличить максимум выходной мощности за счет уменьшения коэффициента усиления (характеристика "2").

Клистрон работает в непрерывном режиме (мощности от единиц ватт до сотен киловатт) или в импульсном режиме (мощности до 100 мегаватт и выше). Для нормальной работы клистрона необходимо хорошее согласование с коаксиальной линией и линии с нагрузкой. Ухудшение согласования сопровождается ростом напряженности поля и может привести к разряду в области подсоединения выходного волновода, разрушению диэлектрика в окне волновода и выходу прибора из строя.

Электронный пучок фокусируется с помощью фокусирующего электрода и внешнего электромагнита. Нарушение фокусировки приводит к оседанию электронов на элементах прибора и их перегреву. Резонаторы и пролетные трубы заземлены, высокое напряжение прикладывается между катодом и корпусом. Ток цепи накала ограничивается при включении накала, т.к. сопротивление холодного подогревателя мало. Высокое напряжение увеличивается постепенно.

Устройство защиты отключает высокое напряжение в случае изменений напряжений и токов фокусирующих цепей, увеличения тока корпуса между коллектором и резонаторами, ухудшения условий охлаждения клистрона, большой напряженности поля, возникновения газового разряда в выходном волноводе. Источники напряжения включаются в определенной последовательности: сначала цепи охлаждения и фокусировки, затем подогреватель, далее поднимают высокое напряжение. Выключение источников производится в обратном порядке.

Лампу бегущей волны можно представить как волновод, вдоль которого движутся электромагнитная волна и поток электронов от катода к коллектору. Благодаря замедляющей системе, выполненной, например, в виде встречных штырей или спирали, вдоль которой распространяется волна, фазовая скорость волны vф почти такая же, как у электронов vэ. Электромагнитная волна поперечная: вектор поля перпендикулярен направлению распространения. В волноводе с замедляющей системой структура поля сложная, есть продольная составляющая поля, которая изменяет скорость электронов.

Если vэ = vф , электроны движутся синхронно с волной. Продольная составляющая поля, в зависимости от фазы, для одних электронов оказывается ускоряющей, для других - замедляющей. В результате электроны группируются в "узлах" волны, где продольная составляющая поля нулевая. Если скорость vэ немного больше vф , группы электронов, "опережая"

волну, оказываются в области тормозящего поля и отдают часть своей энергии полю, усиливая его.

-

Рис.60 Устройство лампы бегущей волны с замедляющей системой - спира-

лью показано на рис.60. Лампа имеет подогреватель, катод, фокусирующую электронный луч систему, коллектор, входной и выходной волноводы. Амплитудная характеристика лампы аналогична амплитудной характеристике клистрона. При высокой выходной мощности отдача энергии полю происходит очень быстро, электроны теряют скорость и, попадая в области ускоряющего поля, отбирают от него энергию. В результате выходная мощность снижается.

Максимальная мощность ламп бегущей волны достигает нескольких киловатт в непрерывном и нескольких мегаватт в импульсном режиме. Согласование лампы с ВЧ-трактом должно быть хорошим, стабильность питания фокусирующей системы высокой. Для безопасной работы коллектор и замедляющая система заземляются. Лампа бегущей волны имеет устройство управления и контроля, аналогичное тому, которое есть у клистрона. Существуют лампы обратной волны, в которых направление потока электронов и волны противоположны, а также генераторные лампы бегущей волны.

Магнетрон - это мощный генератор СВЧ-колебаний. Его основными частями являются цилиндрический катод и медный анодный блок с цилиндрическими полостями, которые вместе с щелями между катодом и анодом образуют резонаторы. Магнетрон помещается в постоянное магнитное поле, параллельное образующим цилиндрических поверхностей, так что электрическое (Е) и магнитное (В) поля взаимно перпендикулярны.

Небольшой участок щели между катодом и анодом можно представить как плоский конденсатор. На электрон, движущийся от катода к аноду, действует сила Лоренца Fм, перпендикулярная вектору скорости электрона (рис.61). Эта сила заворачивает электрон обратно к катоду, электрон движется по циклоиде. В "докритическом" режиме движения электроны

оседают на аноде (кривая 1 на рис. 61), в "закритическом" режиме возвращаются на катод (кривая 2). Возможно также движение электрона вдоль оси z со скоростью vz . В этом режиме силы Fэ и Fм , действующие на электрон со стороны электрического и магнитного полей, направлены в противоположные стороны. Если эти силы равны по величине, такой режим движения электронов сохраняется.

анод

катод Рис. 61

Щель между катодом и анодом является замкнутым волноводом. Волна, возникшая в таком волноводе с замедляющей системой - резонаторами имеет сложную структуру и содержит продольную (вдоль оси z) и поперечную составляющие переменного электрического поля Еz и Еy. Эти составляющие влияют на поток электронов следующим образом. Если электрон движется вдоль оси z, то при увеличении vz под влиянием продольного поля нарушится равновесие Fэ=Fм, возникнет движение электрона по направлению к катоду и появится составляющая силы Лоренца, уменьшающая скорость vz . Таким образом, продольная составляющая поля стабилизирует скорость vz .

Поперечная составляющая электрического поля Еy, в зависимости от фазы, увеличивает или уменьшает скорость движения электронов к аноду, при этом соответственно увеличивается или уменьшается сила Лоренца, действующая в направлении оси z . Если vz ≈ vф (vф – фазовая скорость волны), то электроны группируются в областях, где поперечная составляющая Еy минимальна. В этих областях продольная составляющая максимальна. Она оказывает тормозящее действие и электроны отдают энергию полю. Однако при этом их скорость не уменьшается, т.к. продольная составляющая поля стабилизирует скорость электронов. В итоге потенциальная энергия постоянного электрического поля переходит в энергию волны.

Для существования колебаний, кроме выполнения условия vz ≈ vф и работы в закритическом режиме, необходимо, чтобы волна, проходя по кольцу, вернулась в той же фазе, т.е. чтобы сдвиг фазы на ее пути был кратен 2 π. Эти условия выполняются на нескольких частотах при определенном соотношении параметров электрического и магнитного полей.

Модуляция колебаний осуществляется изменением анодного напряжения, при этом изменяется и частота. Поэтому чаще всего применяют импульсную модуляцию.

Основными параметрами магнетрона являются рабочая частота ω (а для магнетронов, перестраиваемых путем деформации подвижной стенки резонатора, диапазон генерируемых частот), выходная мощность, к.п.д., крутизна характеристики ω(ia) - зависимости частоты генерации от анодного тока. Выходная мощность импульсных магнетронов находится в пределах о 10 Вт до 10 МВт, в режиме непрерывной генерации от долей ватта до десятков киловатт, к.п.д. до 70 %.

К стабильности анодного напряжения и качеству согласования с нагрузкой предъявляются высокие требования. Включают магнетрон в определенной последовательности: сначала систему охлаждения, затем накал катода и анодное напряжение. В мощных магнетронах после пуска напряжение накала снижают, т. к. за счет энергии поля катод дополнительно нагревается. Во время работы контролируется форма огибающей радиоимпульса.

Литература

1.Б.Скляр. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение.: пер. с англ – М.: Издательский дом “Вильямс”, 2003.– 1104с.

2.К. Феер. Беспроводная цифровая связь. Методы модуляции и расширения спектра.: пер. с англ. - М.: Радио и связь, 2000.- 519 с.

3.С.Уайндер. Справочник по технологиям и средствам связи.: пер. с англ. - М.:Мир, 2000. - 429 с.

4.М.В.Гаранин, В.И.Журавлев, С.В.Кунегин.Системы и сети передачи информации.: учебн. пособие для вузов. М.: Радио и связь, 2001.-336 с.

5.С.И.Баскаков. Радио/технические цепи и сигналы. Учебник для вузов. М.: Высш. шк., 2000.- 462 с.

6.М.Т.Иванов, А.Б.Сергиенко, В.Н.Ушаков. Теоретические основы радиотехники. Учебн. пособие. М.: Высш. шк. 2002. - 306 с.

7.В.И.Дмитриев. Прикладная теория информации. М.: Высш. шк. 1989. - 320 с.

8.Питерсон У., Уэлдон Э. Коды, исправляющие ошибки. Пер. с англ. М: Мир, 1976. –576 с.

9.И.С.Гоноровский. Радиотехнические цепи и сигналы. Ч.1, Сов.радио. М. 1966. – 439 с., Ч2. Сов.радио. М. 1967 .- 327 с.