1. Исследование тетродного усилителя

Цель работы: изучение особенностей конструкции тетродного микроволнового усилителя с двухзазорным входным устройством, экспериментальное определение его характеристик и параметров в различных режимах работы.

1.1. Основные теоретические положения

1.1.1. Особенности усилителей на тетродах

Тетроды средней и большой мощности по-прежнему сохраняют конкурентноспособность в дециметровом диапазоне длин волн по сравнению с другими микроволновыми приборами [1].

К преимуществам их можно отнести следующие качественные показатели:

– меньшие габариты и вес,

– более низкие питающие напряжения,

– отсутствие специальных фокусирующих систем,

– высокий средний КПД,

– малые нелинейные искажения,

– высокая фазовая стабильность.

В отличие от электронно-лучевых микроволновых приборов, в тетродах используется квазистатический принцип управления электронным потоком, а не скоростная модуляция.

Это исключает необходимость применения длинных пролетных труб (в случае клистронов) или замедляющих систем (в случае ламп бегущей волны). Поэтому габариты и вес тетродов значительно меньше. Кроме того, не требуется сложных систем фокусировки для сопровождения луча.

В микроволновых тетродах высокие уровни выходной мощности достигаются за счет больших токов при сравнительно низких питающих напряжениях.

Высокий средний КПД объясняется тем, что в режиме амплитудной модуляции тетроды работают в классе В и С, т. е. с отсечкой катодного тока. При отсутствии высокочастотного сигнала ток через них не проходит. В клистронах же и ЛБВ в этом случае вся мощность электронного потока выделяется на коллекторе. Поэтому при усилении, например, телевизионного сигнала средний КПД клистронных передатчиков оказывается в 2–2,5 раза ниже тетродных.

Меньший уровень нелинейных искажений в этих усилителях связан с особенностями амплитудных характеристик. Если в клистронах и ЛБВ вследствие процессов группирования электронов амплитудные характеристики напоминают синусоиду, то аналогичные характеристики тетродных усилителей имеют вид S-кривых. Сравнение амплитудных характеристик тетрадного микроволнового усилителя и клистрона представлено на рис. 1.1.

При такой форме характеристик, как показывают расчеты, уровень комбинационной составляющей 3-го порядка получается ниже, чем в случае синусоидальной амплитудной характеристики.

И, наконец, высокая фазовая стабильность выходного сигнала тетродных усилителей объясняется малыми пролетными углами электронов, поэтому время задержки прохождения сигнала и его изменение при варьировании амплитуды сигнала и питающих напряжений на порядок меньше, чем в клистронах и ЛБВ.

Среди недостатков тетродных усилителей следует отметить низкие значения коэффициента усиления по мощности, низкие предельные рабочие частоты, ограниченную полосу пропускаемых частот, а также значительно меньшие надежность и долговечность.

Для повышения коэффициента усиления по мощности переходят от включения с общей сеткой к схеме включения с общим катодом. При этом существенно уменьшается активная входная электронная проводимость и требуется меньший уровень входной мощности.

Однако конструктивная реализация схемы с общим катодом в случае тетродов с плоскими электродами вызывает известные трудности. Для усилителя на тетроде с плоскими электродами предложена схема с «висячей» сеткой, позволяющая обеспечить при определенных условиях равенство амплитуд и противофазность напряжений на зазорах «катод – управляющая сетка» и «управляющая сетка – экранирующая сетка», что соблюдается в схеме с общим катодом.