Лекция № 2
Общие принципы генерирования и усиления ВЧ и СВЧ колебаний. Автогенераторы и стабилизация частоты автоколебаний.
Учебные вопросы:
Классификация и физический механизм работы ВЧ и СВЧ генераторов.
Генераторы на электровакуумных и полупроводниковых приборах.
Назначение, классификация и принцип действия автогенераторов, установившийся режим автоколебаний.
Стабильность частоты, кварцевые автогенераторы.
КЛАССИФИКАЦИЯ И ФИЗИЧЕСКИЙ МЕХАНИЗМ РАБОТЫВЧ И СВЧ ГЕНЕРАТОРОВ
Основное назначение генератора состоит в преобразовании энергии источника постоянного тока в энергию ВЧ или СВЧ колебаний.
Генераторы подразделяются на два основных типа (см. рис. 1) :
- автогенераторы, работающие в режиме самовозбуждения или автоколебаний, частота которых определяется параметрами самого устройства;
- генераторы с внешним возбуждением, работающие в режиме усиления входного сигнала по мощности или умножения его частоты.
Рис. 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.
Преобразование энергии источника постоянного тока в энергию колебаний осуществляется с помощью электрически управляемых электронных приборов (нелинейных элементов), обладающих усилительными свойствами. Обобщенно структурная схема генератора может быть представлена в виде схемы (рис. 2, а), включающей источник питания (ИП), управляемый элемент (УЭ) и нагрузку (Н), в виде колебательной системы.
а) б)
Рис. 2 – Структурные схемы, поясняющие принцип работы и преобразование энергии в генераторе
Схема «перекачки» энергии от источника питания (Эип) в нагрузку (Эн) под воздействием энергии управляющего сигнала (Эу) изображена на рис. 2, б. Для любого генератора обязательно выполнение двух условий:
- усиление по мощности, т.е. Эн >> Эу,
- управляемость энергии в нагрузке (колебательной системе), т.е. Эн=F(Эу).
Схема показывает, что термины «входной сигнал», «выходной сигнал» не означают «прохождение» входного сигнала через усилительный нелинейный элемент в нагрузку – входной сигнал лишь управляет процессом преобразования энергии, в результате которого и формируется сигнал в нагрузке, форма которого, в общем случае, может не повторять форму входного сигнала. Из схемы также видно, что только часть энергии источника поступает в нагрузку, часть ее – энергия потерь (Эп) – расходуется на разогрев элементов УЭ, по которым протекает ток источника.
Известно большое число разнообразных электронных приборов – электровакуумных и полупроводниковых, применяемых в генераторах.
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.
В основе работы всех типов электронных приборов лежит общий физический принцип: взаимодействие потока движущихся носителей заряда с электромагнитным полем. Различие приборов состоит в разном характере этого взаимодействия и в способах управления потоком носителей заряда.
Обозначим время этого взаимодействия через 
. Под этим временем в биполярном транзисторе следует понимать время переноса неосновных носителей заряда от эмиттера к коллектору, в полевом транзисторе – время переноса основных носителей заряда от истока к стоку, в электровакуумных лампах – время движения электронов от катода к аноду, в СВЧ лампах бегущей волны – время движения электронов вдоль спирали от катода к коллектору и т.д.
В зависимости от обобщенного параметра 
, имеющего смысл фазы, где 
- частота сигнала, электронные генераторные приборы можно разделить на три основные группы:
1) 
, к этой группе относятся ВЧ генераторы, построенные на электровакуумных приборах и полупроводниковых транзисторах;
2) 
, к второй группе относятся СВЧ полупроводниковые генераторы, реализованные на лавинно-пролетных диодах и диодах Ганна;
3) 
, к третей группе относятся СВЧ электровакуумные приборы.
В приборах первой группы при нарушении соотношения , т.е. при частоте 
, резко уменьшается их выходная мощность, коэффициент усиления и КПД. Этот недостаток преодолен в приборах третьей группы. Благодаря увеличению 
, т.е. длительному взаимодействию потока с полем, мощность СВЧ электровакуумных приборов существенно превышает мощность СВЧ полупроводниковых генераторов. Если удастся создать полупроводниковые структуры, в которых значение будет увеличено без снижения частоты колебаний 
, то мощность полупроводниковых генераторов будет повышена.
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:
; (1)
, (2)
где 
- постоянная составляющая тока; 
- напряжение источника питания генератора.
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
(3)
где 
— комплексно-сопряженная амплитуда 1-й гармоники тока, 
- комплексная амплитуда напряжения (см. рис. 3).
Из выражения (3) для активной и реактивной составляющих мощности взаимодействия получим
, 
,
где 
- фазовый угол между двумя векторами (см. рис. 3).
Рис. 3
При 
поток носителей зарядов отдает мощность электромагнитному полю или электронный прибор – электрической цепи.
При 
, наоборот, поле отдает мощность потоку зарядов и поэтому колебания в устройстве затухают, или вообще не возникают.
Неравенство соблюдается при 
, т.е. при выполнении условия фазировки. Мощность 1-й гармоники сигнала, передаваемая в активную нагрузку:
, (4)
где 
- разность фаз согласно рис. 3.
В выражении (3) реактивная составляющая мощности взаимодействия 
характеризует обмен энергией между потоком и полем по 1-й гармонике сигнала или между электронным прибором и электрической цепью.
Мощность, потребляемая электронным прибором:
. (5)
С учетом (4) и (5) КПД генератора равен
. (6)
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 колеблется от десятков мегаватт в импульсном режиме работы до долей ватта в непрерывном режиме.