Рис. 1.7. 
 
 

    Из (1.3) для активной и реактивной составляющих мощности взаимодействия получим

    

,

    где - фазовый угол между двумя векторами (рис. 3.8).

    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:

     ,                               (1.4)

    где - разность фаз согласно рис. 1.7.

    В выражении (3.3) 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:

                                                            (1.5)

    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).

    Глава 2. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ВЧ ГЕНЕРАТОРА С ВНЕШНИМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ

    2.1. Обобщенная схема генератора с внешним возбуждением и ее анализ

    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 , имеющего внутреннюю проводимость входного и выходного , сопротивлений (рис. 2.1,б). Все эти элементы являются нелинейными и частотно-зависимыми. Конечная цель анализа работы ВЧ генератора (см. рис. 2.1,а) при подаче на его вход одночастотного сигнала состоит: в определении его энергетических параметров - выходной колебательной мощности ВЧ сигнала, поступающего в нагрузку, ; мощности потребления по постоянному току от источника питания ; коэффициента полезного действия (КПД) , коэффициента усиления по мощности , где - мощность входного источника сигнала;

    определение условий оптимального режима работы ВЧ генератора согласно определенному критерию. Такими критериями могут являться: максимум колебательной мощности в нагрузке максимальный КПД , максимальный коэффициент усиления по мощности , минимум искажений, вносимых усилителем в сигнал, максимальная ширина полосы пропускания;

    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  эквивалентного генератора электронного прибора (см. рис. 2.1,б);

    -определение  напряжения на выходе электронного  прибора; определение выходной  мощности 1-й гармоники  поступающей в нагрузку;

    - определение потребляемой мощности  от источника постоянного тока и КПД генератора;

    - анализ входной цепи ВЧ генератора, определение мощности входного  сигнала  , и коэффициента усиления генератора по мощности ,

    - выбор схемы и расчет выходной  и входной согласующих электрических цепей ВЧ генератора (см. рис. 2.1,а).

      
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    2.2. Баланс мощностей в ВЧ генераторе

    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  в энергию высокочастотных колебаний мощностью . Поэтому для нее баланс мощностей имеет вид

     ,                                                    (2.1)

    где - мощность, рассеиваемая в виде тепла в электронном приборе (в лампе - на аноде, в биполярном транзисторе - на коллекторе, в полевом - на стоке).

    Мощность  рассеивания можно определить как  разность или с помощью определенного интеграла:

     ,                                             (2.2)

    где , - ток и напряжение на выходе электронного прибора. Во входной цепи первичным источником является высокочастотный генератор с ЭДС (см. рис. 2.1,а), отдающий ВЧ генератору мощность . Поэтому во входной цепи баланс мощностей имеет вид

                               

,                                     (2.3)

    где - мощность, передаваемая источнику постоянного тока во входной цепи, если таковой имеется; - мощность, рассеиваемая в виде тепла в электронном приборе (в лампе - на управляющей сетке, в биполярном транзисторе - в базе, в полевом - на затворе).

    Суммарная мощность тепла, рассеиваемая в электронном  приборе, согласно (2.1) и (2.3) запишется в виде . Значение не должно превышать максимально допустимую мощность рассеивания электронного прибора, указываемую в его паспорте.

    2.3. Динамические характеристики ВЧ генератора и максимально отдаваемая им мощность

     Любой генератор отдает максимальную мощность в нагрузку при выполнении определенного условия. Из курса электротехники известно, что генератор с ЭДС и внутренним сопротивлением ; при и отдает в нагрузку максимальную мощность, равную , при (рис. 2.3). Мощность называется номинальной мощностью генератора.  
 

    Рис. 2.3. Определение номинальной мощности генератора.

    В ВЧ генераторах оба параметра ( и ), зависящие от многих факторов, не являются постоянными величинами, и поэтому здесь условие получения максимальной мощности, передаваемой генератором в нагрузку, усложняется и вытекает из понятия «динамическая характеристика генератора по 1-й гармонике сигнала». Пусть в результате эксперимента или расчета найдены зависимости для функций напряжения и тока , на выходе электронного прибора. Пример графиков таких функций приведен на рис. 4.4,а,б. Из двух данных зависимостей, исключив время t, можно получить третью , называемую динамической характеристикой ВЧ генератора для мгновенных значений тока и напряжения (рис. 4.4,в).

    

    Рис. 2.4. Динамическая характеристика ВЧ генератора для

    мгновенных  значений тока и напряжения

    Разложив  в ряд Фурье семейство функций  и , определим первые гармоники тока и напряжения . Зависимость называется динамической характеристикой по 1-й гармонике сигнала. Пример такой характеристики приведен на рис. 4.5,г. С ее помощью определим условия передачи максимальной мощности от генератора в нагрузку. Функция является нелинейной, зависящей от частоты и мощности входного сигнала и напряжения питания. Зафиксируем данные параметры и запишем для мощности, передаваемой генератором в нагрузку:

     ,                                      (2.4)

    где - динамическая характеристика ВЧ генератора по 1-й гармонике сигнала (см. рис. 2.5, г); - фазовый угол между векторами и .

    Найдем  частную производную функции (2.4) и приравняем ее к нулю для определения экстремума функции:

     ,                      (2.5)

    Из (4.5) при  получим

     .                                                   (2.6)

    На  графике функции  (см. рис. 2.5,г ) условию (2.6) передачи максимальной мощности от генератора в нагрузку соответствует точка А, режиму короткого замыкания - точка В, холостого хода - точка С. Раскроем физическое содержание выражения (2.6). Под отношением

    

    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 - проводимость нагрузки, подключенной к выходу электронного прибора, на частоте 1-й гармоники сигнала.

    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 и и производную как тангенс угла касательной в этой точке. Далее согласно (4.6) построим два графика:

    

.

    Точка пересечения данных графиков определяет условия получения максимальной мощности отдаваемой ВЧ генератором в нагрузку. Чтобы убедиться в этом, следует построить график зависимости . Пример таких построений приведен на рис. 2.5. На рисунке показаны зависимости (см. рис. 2.5,а), и (см. рис. 2.5,б), (см. рис. 2.5,в).

      
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Рис. 2.5. Условие получения максимальной мощности, отдаваемой генератором по 1-й гармонике сигнала.

    2.4. Нагрузочные, амплитудные и частотные характеристики ВЧ генератора

<