Физические принципы работы ВЧ и СВЧ генераторов. 3.1. Генератор с электровакуумным прибором (триод, тетрод)

3.1. Генератор с электровакуумным прибором (триод, тетрод).

Поток носителей зарядов (электронов) движется от катода к аноду прододя сквозь управляющую сетку. Управление потоком электростатическое, с помощью сигнала, приложенного к сетке.

Ток прибора возбуждает электромагнитное поле в колебательном контуре, включенном в анодную цепь триода.

Следует выполнить условие

Δ = ω Т_пр < 1,

где ω – частота сигнала,

Т_пр – время пролета электронов.

Рис. 4.3

3.2. Генератор с биполярным транзистором.

Две штуки p-n переходов. Происходит перенос как основных носителей зряда, так и не основных. Ток в приборе управляется за счет заряда неосновных носителей (для n-p-n перехода электроны), накапливаемых в области базы. Входным сигналом управляется этот процесс. Под действием постоянного напряжения носители из области базы переносятся к коллектору, возбуждая электромагнитное поле в колебательном контуре, включенном в коллекторную цепь транзистора. (Рис. 4.4).

Следует выполнить условие

Δ = ω Т_пр < 1,

где ω – частота сигнала,

Т­_пр – время переноса носителей заряда из области базы к коллектору.

Рис. 4.4 (транзистор n-p-n типа)

3.3. Генератор с транзистором.

Происходит перенос только основных носителей заряда (обычно электроны) от источника к стоку. Управление током в приборе – за счет воздействия электрического поля на поток основных носителей заряда, движущийся в полупроводниковом канале (Рис. 4.5).

Δ = ω Т_пр < 1,

где ω – частота сигнала,

Т­_пр – время переноса носителей заряда из источника к стоку.

Рис. 4.5 (МОП транзистор с каналом типа n)

3.4. Клисторонный генератор.

Клистрон используется только в СВЧ диапазоне. Имеется 2 резонатора: входной – подводится сигнал возбуждения; выходной – снимается сигнал усиленный по мощности (Рис.4.6).

Носители заряда – электроны, движутся от катода к коллектору, к которому приложено постоянное напряжение.

Проходя сквозь заряды входного резонатора поток электронов модулируется по скорости. Затем в пространстве дрейфа происходит преобразование одного вида модуляции потока по скорости в другой по плотности. Усиленный по мощности поток электронов, проходя сквозь зазор выходного резонатора, возбуждает в нем электромагнитное поле.

Взаимодействие потока с полем носит кратковременный характер, но время пролета носителей от катода к коллектору Т_пр относительно велико à

Δ = ω Т_пр < 1.

Рис. 4.6

Кроме двух резонаторных, выпускаются и многорезонаторные генераторы, имеющие большой коэффициент усиления по мощности.

3.5. Лампа бегущей волны типа О.

Электромагнитная волна со скоростью света движется вокруг специальной спирали – замедляющей структуры, возбуждаемой СВЧ сигналом (Рис. 4.7). Внутри спирали движется поток электронов со скоростью V_э. Фазовая скорость V_ф электромагнитной волны (ее вектор направлен вдоль спирали), на порядок меньше скорости света. Добиваются

V_э = V_ф.

Рис. 4.7

При этом условии происходит взаимодействие потока электронов с электромагнитной волной. Эта волна повышает энергию (свою) по мере распространения. Увеличенный по мощности СВЧ сигнал снимается с противоположного от входа конца спирали.

Есть лампы обратной волны, где электроны взаимодействуют не с прямой, а с обратной волной

Δ = ω Т_пр < 1.

3.6. Приборы магнетронного типа, или типа М.

Поток носителей заряда – электронов – движется в скрещенных постоянных полях по сложной траектории, состоящей из отрезков циклоид.

Магнетрон (автогенератор СВЧ колебаний)

Замедляющая структура – замкнутое кольцо из набора резонаторов à замкнутый электронный поток.

Амплитрон (усилитель мощности СВЧ сигнала)

... разомкнутый электронный поток.

В обоих приборах электрическое поле направлено от катода к аноду, а постоянное магнитное поле, создаваемое специальными магнитами перпендикулярно плоскости рисунка.

В магнитроне поток электронов группируется в форме спиц (см. рис.), вращающиеся по окружности в пространстве между катодом и анодом угловой скоростью ω_э.

Рис. 4.8

Проходя мимо зазора резонатора, настроенного на частоту ω_р ≈ ω_э, такой поток возбуждает в нем электромагнитные колебания. Генерируемый магнетроном СВЧ сигнал выводится из резонатора.

В автоколебательном режиме, фаза колебаний

ω – частота сигнала генерируемых колебаний; R– средний радиус кольца, в котором вращаются спицы из электронов; V_ф – фазовая скорость пространственной гармоники электромагнитной волны, n – целое число.

,

где Е – напряженность электрического поля,

В – магнитная индукция,

h – расстояние между катодом и анодом.

v_ф = 2ωR/N à π-режим автоколебаний,

т.к.v_э = v_ф à - частота автоколебаний, генерируемая магнетроном в π-режиме.

Рис. 4.9 а)

Рис. 4.9 б)

3.7. Автогенераторы со стабилизацией частоты по кварцу.

Источники опорных колебаний диапазона частот от 1 кГц до 100МГц с кратковременной нестабильностью частоты 10^-5...10^-8 обычно выполняются на основе LC-генераторов со стабилизирующим кварцевым резонатором.

Кварц – кристалл, имеющий свойства прямого и обратного пьезоэлектрического эффекта. Помещенный в электрическое поле ВЧ кварц испытывает периодические механические деформации (обратный пьезоэффект), что в свою очередь вызывает появление электрических зарядов на его гранях (прямой пьезоэффект). Кристалл кварца имеет 3 оси симметрии: оптическую, электрическую и механическую. В зависимости от того, под каким углом к этим осям вырезана пластина, различают ≈ 10 видов среза кварца.

Стабилизирующий частоту резонатор вырезается в виде плоской пластины (прямоугольной или округлой) из искусственного кристалла кварца под определенным углом к его кристаллографическим осям. Противоположные грани пластины металлизируются, образуя плоский конденсатор со статической емкостью С₀ (см. рис.).

Частота колебаний, при которой на толщине пластины укладывается половина длины волны в кварце, определяется толщиной вырезанной пластины

где М – размерный коэффициент, зависящий от типа среза М ≈ 1,7…3МГц, мм

h – толщина пластины, мм.

Если 1...5кГц, то пластина резонатора громозкая, массивная,

нецелесообразно.

Если 25...40...70МГц, то «оптимально», т.к. f _вых равно основной резонансной частоте.

Если 100...130...150МГц, то «возможно» с особым срезом и непрямоугольным срезом. Снижается эквивалентная добротность резонатора à повышается частотная нестабильность.

Рис. 4.10

где R_КВ – сопротивление активных потерь в пластине.

а) обозначение кварцевого резонатора.

б) его эквивалентная схема вблизи одной из частот механического резонатора.

в) последовательная схема замещения.

Обозначения:

С₀ – емкость кварцедержателя;

L_КВ, С_КВ – динамические параметры разонатора, характеризующие соответственно инерционные и упругие свойства пластины;

r_КВ – сопротивление активных потерь в пластине;

R_КВ(f), X_КВ(f) соответственно активная и реактивная составляющие последовательной схемы замещения.

Пластины кварцевых резонаторов проявляют резонансные свойства на обертонах с нечетными номерами 3, 5, 7 полуволн механических колебаний с входной частотой. Использование 7-ой и выше механических гармоник снижает стабильность частоты.

Имеется эффект старения: первый год дрейф частоты 1...10 млн^-1, в последующие годы в 3-5 раз меньше.

Колебательный контур на схеме б) имеет две собственные частоты:

- частоту последовательного резонанса динамической ветви и частоту паралельного резонанса всего контура

;

- добротность кварцевого резонатора

.

Т.к. для кварцевых резонаторов , то f_KB и f_п – мало отличаются.

- добротность кварцевого резонатора

Приближенно можно считать, что предельно достижимая кратковременная относительная нестабильность частоты автогенератора с кварцем δ_к обратно пропорциональна квадрату добротности кварцевого резонатора.

Дата добавления: 2014-01-03