Главная Учебники - Разные Лекции (разные) - часть 28
[Введите название организации] Directx Основное назначение генератора состоит в преобразовании энергии источника постоянного тока в энергию ВЧ или СВЧ колебаний. Генераторы подразделяются на два основных типа: - автогенераторы, работающие в режиме самовозбуждения или автоколебаний, частота которых определяется параметрами самого устройства; Рис. 1.1. Основные типы генераторов В обоих типах генераторов используются одни и те же типы электронных приборов и физические принципы их работы можно рассматривать в рамках общей теории. Известно большое число разнообразных электронных приборов - электровакуумных и полупроводниковых, применяемых в генераторах. В основе работы всех типов электронных приборов лежит общий физический принцип: взаимодействие потока движущихся носителей заряда с электромагнитным полем. Различие состоит в разном характере этого взаимодействия и в способах управления потоком носителей заряда. Основные электронные приборы, используемые в генераторах: - электровакуумные приборы (триоды, тетроды и др.); - полупроводниковые приборы (транзисторы биполярные и полевые, диоды (туннельные, диоды Ганна и лавинно-пролетные)); - клистроны; - лампы бегущей волны; - приборы магнетронного типа. Работу различных типов электронных приборов объединяет физический принцип взаимодействия потока носителей заряда (сокращенно - потока) с электромагнитным полем (сокращенно - полем). Принцип устройства генератора с триодом приведен на рис. 1.2. Поток носителей зарядов (электронов) движется в приборе от катода к аноду, проходя сквозь управляющую сетку. Рис. 1.2. Устройство генератора с триодом Рис. 1.3. У
стройство генератора на биполярном транзисторе В полевом транзисторе происходит перенос только основных носителей заряда (обычно ими являются электроны) - от истока к стоку. Управление током в приборе осуществляется за счет воздействия электрического поля на поток основных носителей заряда, движущихся в полупроводниковом канале. Это управляющее поле, создаваемое внешним сигналом возбуждения, приложенным к затвору, направлено перпендикулярно потоку. Как и в предыдущем случае, в генераторе с полевым транзистором следует выполнить условие: Рис. 1.4. У
стройство генератора на полевом транзисторе Среди полупроводниковых диодов, используемых в схемах ВЧ и СВЧ генераторов можно выделить: туннельный диод; диод Ганна и лавинно-пролетный диод. Эквивалентные модели этих приборов можно представить в виде нелинейной реактивной и отрицательной активной проводимости. Благодаря последней, при подключении такого прибора к резонатору, возможна генерация или усиление СВЧ колебаний с частотой, определяемой из соотношения Клистрон используется только в СВЧ диапазоне. В нем имеется два резонатора - входной, к которому подводится сигнал возбуждения, и выходной, с которого снимается сигнал, усиленный по мощности. Носители заряда - электроны - движутся в приборе от катода к коллектору, к которому приложено постоянное напряжение. Проходя сквозь зазор входного резонатора, поток электронов модулируется по скорости. Затем в пространстве дрейфа прибора, расположенном между резонаторами, 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. В клистронном генераторе взаимодействие потока с полем, происходящее в зазоре резонатора, носит кратковременный характер, но время пролета носителей от катода к коллектору Рис. 1.5.Клистронный генератор Рис. 1.6. Генератор на лампе бегущей волны При этом добиваются следующего примерного равенства Как указывалось выше, в основе работы всех типов электронных приборов лежит общий физический принцип: взаимодействие потока движущихся носителей заряда с электромагнитным полем. Обозначим время этого взаимодействия через ВЧ генераторные приборы - электровакуумные приборы и транзисторы - относятся к первой группе; СВЧ полупроводниковые генераторные диоды - лавинно-пролетные и Ганна - ко второй, СВЧ электровакуумные приборы - к третьей. В приборах первой группы при нарушении соотношения Процессы усиления и генерации ВЧ и СВЧ колебаний сопровождаются двумя характерными явлениями. Первое связано с модуляцией потока носителей заряда по скорости и плотности (или только по плотности). В результате происходит синхронное изменение частот колебаний потока и электромагнитного поля, а также обмен энергией между ними. В этом равенстве или кратности частот колебаний потока и поля и заключается соблюдение принципа синхронизма. Однако соблюдения одного принципа синхронизма недостаточно, поскольку генерация и усиление ВЧ и СВЧ колебаний, сопровождающиеся передачей энергии от потока полю, возможны только при торможении носителей заряда электромагнитным полем. Иначе говоря, перемещение носителей заряда под воздействием высокочастотного поля должно быть противоположно их движению за счет постоянного поля. В этом и заключается сущность принципа фазировки. Для его соблюдения необходимо иметь определенную разность фаз между векторами, характеризующими поток и поле, или между током i (t), наведенным во внешней цепи, и напряжением и(t) на электродах прибора. При торможении носителей заряда полем ток i (t) и напряжение и(t) должны находиться в противофазе. Мощность взаимодействия между потоком носителей заряда и электромагнитным полем, определяет мощность, генерируемую электронным прибором. Поток носителей заряда будем характеризовать током i(t), наведенным во внешней цепи, а электромагнитное поле - напряжением u(t) на электродах прибора. Из-за нелинейного характера этого взаимодействия полное использование по мощности электронных генераторных приборов имеет место при несинусоидальных формах тока и напряжения, которые представим в виде ряда Фурье:
где Процесс взаимодействия потока носителей заряда с полем или электронного прибора с электрической цепью в установившемся режиме работы можно рассматривать по каждой гармонике сигнала. Мощность взаимодействия по 1-й гармонике
где Рис. 1.7. Из (1.3) для активной и реактивной составляющих мощности взаимодействия получим
где При При Неравенство
где В выражении (3.3) реактивная составляющая мощности взаимодействия Мощность, потребляемая электронным прибором:
С учетом (1.4) и (1.5) КПД генератора
Значение КПД генератора зависит от типа электронного прибора, частоты и мощности усиливаемого сигнала и колеблется от 90% в нижней части ВЧ диапазона до 3 - 5% - в верхней части СВЧ диапазона. Мощность генераторных приборов U колеблется от десятков мегаватт в импульсном режиме работы до долей ватта в непрерывном режиме. Выводы по главе: 1. Основные электронные приборы, используемые в генераторах: - электровакуумные приборы (триоды, тетроды и др.); - полупроводниковые приборы (транзисторы биполярные и полевые, диоды (туннельные, диоды Ганна и лавинно-пролетные)); - клистроны; - лампы бегущей волны; - приборы магнетронного типа. 2. Работу различных типов электронных приборов объединяет физический принцип взаимодействия потока носителей заряда (сокращенно - потока) с электромагнитным полем (сокращенно - полем). Большое число разнообразных схем ВЧ генераторов с внешним возбуждением, являются частным случаем обобщенной структурной схемы (рис. 2.1,а), состоящей из трех, каскадно-включенных, четырехполюсников (ЧП) - входной и выходной согласующих электрических цепей и электронного прибора - транзистора или лампы. Рис. 2.1. Обобщенная схема ВЧ генератора с внешним возбуждением Назначение электрических цепей состоит в согласовании входного и выходного сопротивлений электронного прибора соответственно с источником возбуждения и нагрузкой и в фильтрации высших гармоник сигнала. Электронный прибор может быть представлен в виде генератора тока определение условий оптимального режима работы ВЧ генератора согласно определенному критерию. Такими критериями могут являться: максимум колебательной мощности в нагрузке расчете и построении различных характеристик генератора: динамической, нагрузочной, амплитудной, фазоамплитудной, амплитудно-частотной, фазочастотной в одночастотном режиме работы. Определение данных характеристик дается ниже. Дополнительный анализ работы ВЧ генератора может проводиться при усилении модулированных и сложных ВЧ сигналов, например многочастотных. Перечисленные параметры и характеристики ВЧ генератора можно найти с помощью метода гармонической линеаризации (рис. 2.2). Рис. 2.2. Принцип метода гармонической линеаризации Электронный прибор и ВЧ генератор в целом являются нелинейными устройствами. В частности, при подаче на вход такого прибора синусоидального напряжения (рис. 2.2,а) сигнал на его выходе искажается (рис. 2.2,б). Согласно разложению функции в ряд Фурье (2.5) сигнал, приведенный на рис. 2.2,б, можно представить в виде суммы постоянной составляющей и нескольких гармоник (рис. 2.2,в). Из этой «смеси» с помощью фильтра можно выделить только 1-ю гармонику сигнала. Именно такую функцию и выполняет выходная согласующая цепь в схеме ВЧ генератора (см. рис. 2.1,а). Поэтому напряжение на нагрузке генератора снова приобретает синусоидальную форму (рис. 2.2,г). Именно в фильтрации несинусоидального сигнала, выделении из него 1-й гармоники сигнала и преобразовании его вновь в синусоидальный сигнал и состоит метод гармонической линеаризации, лежащий в основе анализа ВЧ генератора. Сам анализ включает в себя: - определение с помощью ВАХ электронного прибора формы тока на его выходе при подаче на вход синусоидального сигнала; - разложение в ряд Фурье согласно (4.5) полученной несинусоидальной зависимости для тока -определение напряжения на выходе электронного прибора; определение выходной мощности 1-й гармоники - определение потребляемой мощности - анализ входной цепи ВЧ генератора, определение мощности входного сигнала - выбор схемы и расчет выходной и входной согласующих электрических цепей ВЧ генератора (см. рис. 2.1,а). Поскольку в ВЧ генераторе происходят процессы преобразования энергии разных источников, то важно составить баланс мощностей для выходной и входной цепей всего устройства. В выходной цепи происходит преобразование энергии источника постоянного тока мощностью
где Мощность рассеивания можно определить как разность
где
где Суммарная мощность тепла, рассеиваемая в электронном приборе, согласно (2.1) и (2.3) запишется в виде Рис. 2.3. Определение номинальной мощности генератора. В ВЧ генераторах оба параметра ( Рис. 2.4. Динамическая характеристика ВЧ генератора для мгновенных значений тока и напряжения Разложив в ряд Фурье семейство функций
где Найдем частную производную функции (2.4) и приравняем ее к нулю для определения экстремума функции:
Из (4.5) при
На графике функции
следует понимать модуль внутренней дифференциальной проводимости по 1-й гармонике сигнала эквивалентного генератора. Ее равенство проводимости нагрузки и есть условие передачи максимальной мощности (4.6), которое можно представить в виде
где Точку А на динамической характеристике (см. рис. 2.4,г) можно найти графическим путем как точку пересечения двух графиков согласно (2.6). Для этого необходимо в n-точках динамической характеристики определить значения ее координат
Точка пересечения данных графиков определяет условия получения максимальной мощности Рис. 2.5. Условие получения максимальной мощности, отдаваемой генератором по 1-й гармонике сигнала. Амплитудные и частотные характеристики ВЧ генератора. При подаче на вход ВЧ генератора синусоидального сигнала
Пример таких характеристик приведен на рис. 2.7. С помощью амплитудных характеристик, определяемых в одночастотном режиме работы, можно, например, рассчитать выходной комбинационный спектр при многочастотном входном сигнале. Частотные характеристики есть зависимости номинального коэффициента усиления по мощности ВЧ генератора
Рис. 4.8. Частотные характеристики ВЧ генератора Номинальный коэффициент передачи или усиления по мощности ЧП. Структурная схема ВЧ усилителя состоит из трех каскадно соединенных ЧП (см. рис. 2.1, а). Рассмотрим, как передается мощность сигнала через один отдельно взятый ЧП (рис. 2.9, а). Параметром, количественно оценивающим данный процесс, является номинальный коэффициент передачи или усиления ЧП по мощности, равный отношению активной мощности, переданной в нагрузку
Рис. 2.9. Передача мощности сигнала через один отдельно взятый ЧП В активном четырехполюснике, т.е. содержащем электронный прибор усилительного типа, можно получить значение В случае прямого присоединения нагрузки к генератору (рис. 2.10) для коэффициента передачи мощности с учетом (2.7) получим
Пример. При
т.е. когда сопротивления являются комплексно сопряженными (их действительные части равны, а реактивные части равны по модулю и противоположны по знаку). При расчете коэффициента
Рис. 2.10 . При этом схему ВЧ генератора (см. рис. 2.1,а) можно представить в виде двух частей: для входной и выходной цепей (рис. 2.11). Рис. 2.11. Входная и выходная части согласующей цепи Согласно обозначениям, приведенным на рис. 2.11, условиями оптимального согласования для входной и выходной согласующих цепей является выполнение соответственно следующих равенств:
При выполнении условий (2.11) значения коэффициентов передачи входной и выходной согласующих цепей Выводы по главе: 1. Именно в фильтрации несинусоидального сигнала, выделении из него 1-й гармоники сигнала и преобразовании его вновь в синусоидальный сигнал и состоит метод гармонической линеаризации, лежащий в основе анализа ВЧ генератора. Сам анализ включает в себя: - определение с помощью ВАХ электронного прибора формы тока на его выходе при подаче на вход синусоидального сигнала; - разложение в ряд Фурье согласно (4.5) полученной несинусоидальной зависимости для тока -определение напряжения на выходе электронного прибора; определение выходной мощности 1-й гармоники - определение потребляемой мощности - анализ входной цепи ВЧ генератора, определение мощности входного сигнала - выбор схемы и расчет выходной и входной согласующих электрических цепей ВЧ генератор. 1. Радиопередающие устройства, Учебник для ВУЗов/Под редакцией В.В. Шахгильдяна - М.: Радио и связь, 2003.-560 с. 2. Проектирование радиопередатчиков: Учебное пособие для вузов/Под редакцией В.В. Шахгильдяна, - М.: Радио и связь, 2003.-656 с. 3. Устройства генерирования и формирования радиосигналов/Под редакцией Г.М. Уткин, В.Н. Кулешова и М.В. Благовещенского,- М.: Радио и связь, 1994. 4. Каганов В.И. Радиопередающие устройства: Учебник для сред. проф. Образования. М.: ИРПО: Изд. Центр <Академия>, 2002.-188 с. 5. Каганов В.И. Радиотехника + компьютер + Matcad. – М.: Горячая линия – Телеком, 2001. - 416 с. 6. Карлащук В.И. Электронная лаборатория на IBMPC. Программа ElectronicsWorkbench и ее применение. М.: Солон-Р, 2000.-506 с. 7. http://do.sssu.ru/virt/library/uchebnik/elec/progelf.html 8. http://www.radioscanner.ru/info/glossary/am 9. В.П. Бакалов, А.А. Игнатов, Б.И. Крук. Основы теории электрических цепей и электроники: Учебник для высших учебных заведений.- М.: Радио и связь, 1989. - 525 с.
|