ГЛАВА 1. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ГЕНЕРИРОВАНИЯ И УСИЛЕНИЯ ВЧ И СВЧ КОЛЕБАНИЙ

    1.1. Классификация и физический механизм работы ВЧ 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:

  - 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. 1.1).  

    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).  
 

    1.2. Генератор на электровакуумном приборе

    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.

     Управление  этим потоком - электростатическое, с  помощью сигнала, приложенного к  сетке. Ток прибора возбуждает электромагнитное поле в колебательном контуре, включенном в анодную цепь триода. В генераторе следует выполнить соотношение , где - частота сигнала, - время пролета электронов.  

Рис. 1.2. Устройство генератора с триодом

    1.3. Генератор на биполярном транзисторе

     В приборе, состоящем  из двух р-п-переходов, происходит перенос, как основных носителей заряда, так  и неосновных. Управление током прибора  осуществляется за счет заряда неосновных носителей заряда (в транзисторе  типа n-р-n ими являются электроны), накапливаемых в области базы. С помощью входного сигнала, приложенного между базой и эмиттером, происходит управление этим процессом. Затем под действием постоянного напряжения носители из области базы переносятся к коллектору, возбуждая электромагнитное поле в колебательном контуре, включенном в коллекторную цепь транзистора. В транзисторном генераторе следует выполнить соотношение: , где - частота сигнала - время переноса носителей заряда из области базы к коллектору.

    Рис. 1.3. Устройство генератора на биполярном транзисторе

    1.4. Генератор на полевом 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: , где - частота сигнала; - время переноса носителей заряда от истока к стоку.

      
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Рис. 1.4. Устройство генератора на полевом транзисторе

    1.5. Генератор на диоде

    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 , где - время пролета носителей заряда - электронов или дырок - в пролетной части полупроводниковой структуры.

    1.6. Клистронный генератор

    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 , относительно велико. Поэтому значение параметра . Помимо двухрезонаторного выпускаются многорезонаторные клистронные генераторы, имеющие больший коэффициент усиления по мощности.

      
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Рис. 1.5.Клистронный генератор

    1.7. Генератор на лампе бегущей волны

     В лампе бегущей  волны (ЛБВ) электромагнитная волна  со скоростью света движется вокруг специальной спирали - замедляющей  структуры, возбуждаемой СВЧ сигналом. Внутри спирали от катода к коллектору движется поток носителей заряда - электронов - со скоростью ,. Фазовая скорость электромагнитной волны, вектор которой направлен вдоль спирали, на порядок меньше скорости света.

    Рис. 1.6. Генератор на лампе бегущей волны

    При этом добиваются следующего примерного равенства  , благодаря чему происходит взаимодействие потока электронов с электромагнитной волной, движущейся в прямом направлении, которая увеличивает свою энергию по мере распространения. Увеличенный по мощности СВЧ сигнал снимается с противоположного от входа конца спирали. Существует несколько разновидностей ЛБВ, в том числе и такие, в которых взаимодействие потока электронов происходит не с прямой, а с обратной электромагнитной волной. Подобные приборы называются лампами с обратной волной (ЛОВ). В ЛБВ и ЛОВ имеет место длительное, непрерывное взаимодействие потока с полем и относительно большое время пролета носителей от катода к коллектору. Поэтому у этих приборов, как и у клистрона, значение параметра . Анализ работы различных электронных приборов позволяет выделить общие черты, свойственные всем типам ВЧ и СВЧ генераторов.

    1.8. Время взаимодействия носителей заряда с

    электромагнитным  полем

    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  . Так, в биполярном транзисторе под 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 , где - частота сигнала, электронные генераторные приборы можно разделить на три основные группы: 1) ; 2) ; 3) .

    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 , 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.

    1.9. Принцип синхронизма и фазировки носителей заряда с электромагнитным полем

    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.

    1.10. Мощность взаимодействия носителей заряда с электромагнитным полем

    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:

     ;    (1.1)

     ,       (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

                                 (1.3)

    где — комплексно-сопряженная амплитуда 1-й гармоники тока, - комплексная амплитуда напряжения.