20351

Ламповые высокочастотные генераторы с внешним возбуждением

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Расчет генератора рассмотрим на типовом примере. Расчет анодной цепи генератора. Аналогичный расчет электрического режима работы ВЧ лампового генератора с внешним возбуждением можно провести по программе на языке Mathcad. Программа расчета электрического режима работы ВЧ лампового генератора Программа состоит из трех частей: ввода исходных данных DATE; расчета параметров генератора по анодной цепи ANODE; расчета параметров сеточной цепи генератора GRID.

Русский

2013-07-25

362.5 KB

147 чел.

Лекция 6. Ламповые высокочастотные генераторы с внешним возбуждением

6.1. Методика расчета лампового ГВВ

6.2. Нагрузочные характеристики и оптимальные режимы работы ГВВ

6.3. Ламповый ГВВ с общей  сеткой

6.4. Электрические схемы ламповых ГВВ

6.1. Методика расчета лампового ГВВ  

Методика расчета электрического режима работы лампового ГВВ в граничном режиме работы основана на приведенном выше анализе (разд. 5.1-5.2). Расчет генератора рассмотрим на типовом примере.

Исходные данные для расчета. Рабочая частота , выходная мощность .

Выбор типа электровакуумного прибора. Исходя из заданной мощности и частоты сигнала по справочнику «Электровакуумные приборы» выбираем тип генераторной лампы. Останавливаемся на тетроде типа ГУ-61Б, имеющем следующие предельно допустимые параметры:

; ; ; . Выбираем угол отсечки , для которого , , .

По характеристикам прибора определяем:

крутизну линии граничного режима ;

крутизну анодно-сеточной характеристики ; напряжение отсечки .

Выбираем граничный режим работы. Принимаем ,

.

Расчет анодной цепи генератора.

1. Коэффициент использования анодного напряжения, определяемый согласно (6.39):

.

2. Амплитуда напряжения на анодном контуре:

.

3. Остаточное напряжение на аноде лампы:

.

4. Амплитуда 1-й гармоники анодного тока:

.

5. Амплитуда импульса анодного тока:

.

6. Постоянная составляющая анодного тока:

.

7. Мощность, потребляемая по анодной цепи:

.

8. Мощность, рассеиваемая анодом лампы:

.

9. Коэффициент полезного действия:

.

10. Сопротивление нагруженного анодного контура, необходимое для реализации рассчитанного режима работы:

.

Расчет цепи управляющей сетки.

1. Требуемая амплитуда напряжения:

.

2. Напряжение смещения:

, .

3. Максимальное напряжение на сетке:

.

4. Высота импульса сеточного тока, определяемая по характеристикам (при  и ) или из примерного соотношения:

.

5. Косинус угла отсечки сеточного тока:

; ; ; .

6. Первая гармоника сеточного тока:

.

7. Постоянная составляющая сеточного тока:

.

8. Требуемая мощность возбуждения:

.

9. Мощность, теряемая в цепи смещения:

.

10. Мощность, рассеиваемая управляющей сеткой:

.

11. Входное сопротивление по 1-й гармонике сигнала:

.

12. Коэффициент усиления генераторной лампы по мощности:

или .

Аналогичный расчет электрического режима работы ВЧ лампового генератора с внешним возбуждением можно провести по программе на языке Mathcad.

Программа расчета электрического режима работы ВЧ лампового генератора

Программа состоит из трех частей:

ввода исходных данных (DATE);

расчета параметров генератора по анодной цепи (ANODE);

расчета параметров сеточной цепи генератора (GRID).

В программе все напряжения имеют размерность в вольтах (V), токи - в амперах (А), мощность - в ваттах (W), сопротивление - в омах (), крутизна статических характеристик лампы - ампер/вольт - (А/V).

Отметим, что при данной методике производится только выбор электровакуумного прибора и ввод исходных данных - требуемой выходной мощности ВЧ генератора и параметров лампы, а весь расчет выполняется автоматически с дальнейшей распечаткой полученных значений параметров на принтере или выводом их на экран дисплея. Коэффициент усиления генератора по мощности рассчитывается в разах (КР) и в децибелах (KPD).

Коэффициенты разложения косинусоидального импульса , , ,  в программе определяются по формулам (6.16), (6.17) и (6.19). Угол отсечки импульса анодного тока  задается в градусах, а затем его значение автоматически переводится в радианы для вычисления тригонометрических функций.

В программе в разделе (DATE) приняты следующие обозначения: Р1 - требуемая выходная мощность ВЧ генератора, Вт;

ЕА - анодное напряжение питания, В;

ЕСС - напряжение отсечки, В;

SG - крутизна линии граничного режима, A/В;

S - крутизна анодно-сеточной характеристики, А/В;

- выбранный угол отсечки, град.

В двух других разделах все пункты расчета полностью совпадают, что позволяет не давать дополнительных пояснений. По программе можно рассчитать электрический режим работы ВЧ генератора на любую мощность при любом типе электровакуумного прибора с известными параметрами и проследить, как меняются параметры генератора при изменении угла отсечки и напряжения питания.

6.2. Нагрузочные характеристики и оптимальные режимы работы лампового генератора

Нагрузочные характеристики лампового генератора есть зависимости его выходных электрических параметров: колебательной мощности , потребляемой , мощности рассеивания на аноде  амплитуд первых гармоник тока  и напряжения  постоянной составляющей тока  и КПД  - от сопротивления нагрузки генератора . С их помощью можно выбрать оптимальный режим работы генератора по различным критериям (например, получению максимальной мощности) и определить влияние изменения нагрузки (например, влияние входного сопротивления антенны) на выходные параметры ВЧ генератора.

Координаты переломной точки на графиках этих характеристик определяются граничным режимом работы, которому соответствует сопротивление нагрузки . Согласно рис. 6.9 в недонапряженном режиме работы амплитуда анодного тока  остается практически неизменной и потому постоянная составляющая  и 1-я гармоника анодного тока  мало зависят от сопротивления нагрузки . В перенапряженном режиме в силу провала в импульсе тока два данных параметра начинают уменьшаться по мере увеличения . В целом зависимости  и  имеют вид, представленный на рис. 6.12. Зависимость для амплитуды ВЧ анодного напряжения  можно определить согласно (6.24), а для мощностей , ,  и КПД  соответственно по (6.26), (6.27), (6.28), (6.29). В результате характеристики имеют вид, представленный на рис. 6.12.

Рис. 6.12. Нагрузочные характеристики и оптимальные режимы работы лампового генератора

Максимум выходной мощности  генератор отдает в граничном режиме работы (рис. 6.12). Именно в этом режиме его внутреннее дифференциальное сопротивление по 1-й гармонике сигнала равно сопротивлению анодной нагрузки. Максимум КПД генератор имеет в слабо перенапряженном режиме работы. В генераторе недопустим режим короткого замыкания (), когда вся потребляемая мощность рассеивается анодом лампы.

Поскольку работа ВЧ генератора оценивается несколькими параметрами, то в зависимости от выбранного критерия меняются условия обеспечения оптимального режима его работы. Pacсмотрим какой угол отсечки  следует выбрать, чтобы обеспечить оптимальный режим работы при трех критериях: мощности ВЧ сигнала , КПД , коэффициенте усиления по мощности .

Для трех данных критериев имеем:

;

;

.

Зафиксировав в данных формулах все параметры, кроме угла отсечки , получим с учетом зависимостей для коэффициентов разложения косинусоидального импульса (см. рис. 6.7) следующие результаты:

максимум мощности  генератор отдает при , максимум КПД генератор имеет при ;

максимум коэффициента усиления по мощности  можно получить при .

Компромиссным вариантом, при котором все три параметра имеют значения, близкие к оптимальным, является выбор угла отсечки в пределах . В большинстве случаев принимают .

6.3. Ламповый ГВВ с общей сеткой

Общим в генераторе называется электрод лампы, который входит как во входную, так и выходную цепь. Модель схемы лампового генератора с общим катодом приведена на рис. 6.13,а.

Рис. 6.13. Модель схемы лампового генератора с общим катодом

К ней, в частности, относится схема генератора, приведенная на рис. 6.1. Недостаток такой схемы начинает проявляться с повышением частоты усиливаемого сигнала, что следует из общей теории устойчивости усилителей высокой частоты. Поэтому кратко остановимся на данном вопросе, представив ВЧ усилитель в виде П- образной схемы (рис. 6.14, а).

Рис. 6.14. П- образная схема замещения ГВВ.

В такой схеме существует связь выхода со входом, определяемая проводимостью . Предположим, что такой связью является некоторая емкость  (рис. 6.14, б). Ее наличие приводит к тому, что часть выходного сигнала попадает на вход усилителя. Поскольку с повышением частоты проводимость  увеличивается, то связь выхода со входом возрастает. При переходе через некоторое критическое значение эта связь может стать столь сильной, что в генераторе возникнут автоколебания и он из усилителя превратится в автогенератор. Такой переход каскада из одного состояния в другое является совершенно недопустимым, так как назначение генератора с внешним возбуждением состоит в усилении сигнала, а не в генерировании собственных автоколебаний, которые будут отбирать мощность у полезного сигнала и создавать помехи другим радиотехническим средствам. Итак, чем больше емкость связи  тем опасность возникновения недопустимого режима работы ВЧ генератора возрастает.

Обратимся вновь к схеме усилителя с общим катодом (см. рис. 6.13,а), в которой емкостью обратной связи является межэлектродная емкость анод-управляющая сетка . Теперь рассмотрим другую схему генератора - с общей сеткой (см. рис. 6.13,б), в которой емкостью обратной связи является межэлектродная емкость анод-катод . Поскольку в лампе емкость  то схема генератора с общей сеткой более устойчива, чем с общим катодом. Даже специальные генераторные тетроды, у которых проходная емкость сведена до минимума, при схеме с общим катодом устойчиво работают только до частоты 200...300 МГц. Поэтому на более высоких частотах в генераторах обычно используется схема с общей сеткой. Так, специальные СВЧ триоды (металлокерамические лампы) при схеме с общей сеткой устойчиво работают до частоты 5000 МГц.

Рис. 6.15. Схема ГВВ с общей сеткой

В тех случаях, когда управляющая сетка заземляется, генератор называют также схемой с заземленной сеткой. Но более общее название - генератор не с заземленной, а с общей сеткой. Рассмотрим электрические параметры такого генератора, обратившись к схемам - электрической (рис. 6.15,а) и эквивалентной (рис. 6.15,б).

Поскольку в лампе происходит поворот фазы сигнала на , то напряжение анод-сетка () есть сумма двух напряжений: анод-катод () и сетка-катод ():. (На рис. 6.15,б расставлены знаки, подтверждающие данное равенство.) Соответственно и для амплитуд этих сигналов имеем

.                                       (6.40)

Другая особенность генератора с общей сеткой состоит в том, что через источник возбуждения протекает катодный ток (напомним, что в генераторе с общим катодом источник возбуждения нагружен на сеточный ток лампы). С учетом сказанного и (6.40) для выходной мощности ВЧ сигнала и мощности возбуждения в схеме с общей сеткой согласно рис. 6.15,б соответственно получим:

;      (6.41)

.       (6.42)

В (6.41) и (6.42) слагаемое  есть часть мощности, непосредственно передаваемой из входной в выходную цепь генератора.

Из сравнения (6.41) с (6.27) и (6.42) с (6.31) следует, что в схеме с общей сеткой по отношению к схеме с общим катодом выходная мощность возрастает на величину  (ориентировочно на 10%), но при этом на ту же величину  увеличивается и мощность возбуждения. Поскольку анодный ток  ориентировочно в 10 раз больше сеточного  то относительное увеличение мощности возбуждения в схеме с общей сеткой, как следует из сравнения (6.42) с (6.31), составляет около 10 раз.

Входное сопротивление в схеме с общей сеткой с учетом (6.18):

.                                 (6.43)

Значение  обычно не превышает 200... 300 Ом. Таким образом, сравнение двух схем ламповых ВЧ генераторов - с общим катодом и общей сеткой (см. рис. 6.13) - позволяет сделать следующие выводы: вторая из схем более устойчива, но в связи с существенным возрастанием мощности возбуждения она проигрывает первой по величине коэффициента усиления по мощности ориентировочно в 10 раз.

6.4. Электрические схемы ламповых ГВВ

Классификация схем ВЧ генераторов определяется: типом выходной электрической цепи и ее связью с нагрузкой; видом входной электрической цепи и ее связью с источником

возбуждения и лампой; цепью питания анода и управляющей сетки лампы; способом перестройки электрических цепей в диапазонных передатчиках.

В качестве входной и выходной электрических цепей, служащих для согласования лампы с источником возбуждения и нагрузкой, и фильтрации высших гармоник сигнала обычно используется один из четырех вариантов: одиночный параллельный колебательный контур, два связанных параллельных колебательных кон- тура, П- и Т-образная схема (рис. 6.16).

Рис. 6.16. Входные и выходные цепи ГВВ.

Все цепи характеризуются полосой пропускания и коэффициентом передачи сигнала по мощности. Полоса пропускания одиночного контура (см. рис. 6.2) определяется согласно (6.3). Три других типа цепей (см. рис. 6.16, б - г) имеют более широкую полосу пропускания.

Коэффициент передачи показывает, какая часть мощности ВЧ сигнала  передается в нагрузку:

,                                  (6.44)

где  - мощность ВЧ сигнала, передаваемая в нагрузку ;  - мощность потерь в электрической цепи.

Определим коэффициент передачи  применительно к одиночному параллельному колебательному контуру (см. рис. 6.16,а), эквивалентные схемы которого с учетом активного сопротивления потерь  приведены на рис. 6.17.

При пересчете сопротивления нагрузки  в индуктивную ветвь контура (см. рис. 6.17, б) с учетом соотношений

и ,

где , - амплитуда 1-й гармоники контурного тока, для коэффициента передачи получим

.                                         (6.45)

При параллельной схеме замещения (см. рис. 6.17, в) с учетом

соотношений

 и ,

где  - амплитуда напряжения на контуре;  - сопротивление ненагруженного контура, т.е. при холостом ходе, для коэффициента передачи получим

,                           (6.46)

где ,  добротность ненагруженного контура;  - волновое сопротивление контура (6.22).

Сопротивление нагруженного контура согласно параллельной схеме замещения (см. рис. 6.17, в): .

С учетом данного выражения из (6.46) для коэффициента передачи получим

,

где  - добротность нагруженного контура. Для уменьшения потерь в электрической цепи значение коэффициента передачи  следует иметь по возможности близким к 1 и не менее 0,8...0,9.

Рис. 6.17. Параллельная схема замещения нагруженного контура ГВВ

Связь электрической цепи с нагрузкой, источником возбуждения и лампой для их согласования между собой может быть: емкостной (рис. 6.18,а), индуктивной, трансформаторной и смешанного типа.

Все виды связи характеризуются коэффициентом  показывающим, как сопротивление нагрузки пересчитывается к определенным точкам электрической цепи. В случае параллельного колебательного контура этот пересчет осуществляется к точкам 1 - 2 схемы, для которой

,

где  - при емкостной связи (рис. 6.18,б);  - при индуктивной связи (рис. 6.18, в);  - при трансформаторной связи (рис. 6.18, г);  - число витков катушек индуктивности (см. рис. 6.18, в, г).

По видам цепей питания анода и управляющей сетки лампы различают: схемы с последовательным питанием (рис. 6.19, а); схемы с параллельным питанием (рис. 6.19, б).

Преимущество схемы последовательного типа состоит в том, что в ней дроссель  не шунтирует анодный контур, параллельного типа и элементы этого контура не находятся под высоким анодным напряжением, что особенно важно при перестройке контура.

Рис. 6.18. Виды связи контура ГВВ с нагрузкой.

Рис. 6.19. Виды питания анода и сетки лампы ГВВ.

При изменении частоты излучаемого сигнала в диапазонных радиопередатчиках необходимо перестраивать все контуры в генераторных каскадах, резонансные частоты которых (6.2) должны быть равны частоте возбудителя.

Такая перестройка электрических цепей осуществляется или с помощью конденсаторов переменной емкости, или путем изменения индуктивности контура, или за счет изменения обоих элементов. При работе радиопередатчика в большой полосе частот весь диапазон обычно разбивается на поддиапазоны. При этом, например, возможен такой вариант: переход с одного поддиапазона на другой осуществляется переключением катушек индуктивности, а перестройка внутри поддиапазона - с помощью конденсатора переменной емкости

Рис. 6.20. Перестройка электрических цепей ГВВ изменением элементов резонансного контура.

В современных радиопередатчиках настройка контуров в резонанс с частотой усиливаемого сигнала осуществляется с помощью устройств автоматического регулирования.

В отличие от названных механических способов перестройки контуров особое место занимают электрические методы, осуществляемые с помощью ферритов и полупроводниковых приборов-варикапов.

Комбинируя типы согласующих электрических цепей, их связи с нагрузкой, источником возбуждения и лампой, способы соединения лампы с источниками питания и методы перестройки контуров, создают разнообразные схемы ВЧ генераторов с внешним возбуждением. Одна из них представлена на рис. 6.1. Рассмотрим еще одну схему, позволяющую складывать мощности двух генераторных ламп (рис. 6.21). Такая схема называется двухтактной.

Рис. 6.21. Двухтактная схема сложения мощностей ГВВ.

Сигналы на управляющие сетки ламп подаются в схеме в противофазе, т.е. повернутыми на 180', в результате чего лампы работают попеременно, возбуждая общий анодный контур, сопротивление которого на частоте 1-й гармоники сигнала определяется выражением

,

где , - параметры, относящиеся к одной лампе. Преимуществами двухтактной схемы помимо возможности двукратного увеличения выходной мощности ВЧ сигнала являются: повышение устойчивости работы, фильтрация четных гармоник и лучшее блокирование цепей питания от проникновения в них токов высокой частоты ввиду симметрии схемы. Для двухтактных схем разработаны специальные двойные генераторные тетроды, размещаемые в одном баллоне.

Контрольные вопросы

1. Нарисуйте типовую схему лампового генератора с внешним возбуждением.

2. Как проводится аппроксимация статических характеристик триода?

3. Проведите на характеристиках лампы линию граничного режима.

4. Как определяется угол отсечки анодного тока?

5. Как определяется угол отсечки сеточного тока?

6. Как производится разложение периодической функции в ряд Фурье? 7. Что такое коэффициенты разложения косинусоидального импульса?

8. Назовите и опишите три режима работы по напряженности генератора с внешним возбуждением.

9. Как определяется граничный режим работы генератора?

10. Как определяются оптимальные режимы работы генератора?

11. Какие преимущества и недостатки имеет схема генератора с общей сеткой?

12. Нарисуйте схему двухтактного лампового генератора.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

23536. УЧЕБНИК ТУРЕЦКОГО ЯЗЫКА 3.45 MB
  18 Гласный а 18 Гласный ı 18 Согласные l m n s 18 Согласные b d r 18 УПРАЖНЕНИЯ 19 Гласный i 19 Гласный e 19 О СМЯГЧЕНИИ СОГЛАСНЫХ unsuz yumuşaması 20 УПРАЖНЬНИЯ 20 СЛОВАРЬ 22 НЕОПРЕДЕЛЕННЫЙ АРТИКЛЬ 23 ПРИНЦИП НЕБНОГО ПРИТЯЖЕНИЯ 24 АФФИКС МНОЖЕСТВЕННОГО ЧИСЛА çoğul eki 24 УПРАЖНЕНИЯ 25 ОПРЕДЕЛИТЕЛЬНАЯ ГРУППА belirtme grupu 25 УПРАЖНЕНИЯ 16 АФФИКСЫ ПРИНАДЛЕЖНОСТИ iyelik ekleri 27 Аффикс принадлежности 1го лица единственного числа birinci kişi tekil iyelik eki 27Аффикс принадлежнocmu 2го лица единственного...
23537. ГРАММАТИКА ШВЕДСКОГО ЯЗЫКА 401 KB
  Неопределённый артикль который ставится перед существительным для общего рода en а для среднего рода ett например: en flicka девочка en dag день ett hus дом ett regn дождь. Это происходит по схеме: существительное неопределённый артикль en ett например: Dag en dagen hus ett huset. Определённый артикль среднего рода с существительными на согласный имеет вид et а на безударный гласный t например: hus huset öga ögat глаз. например: den långa dagen долгий день det långa borget длинный стол de långa...
23538. ЭКСПРЕСС–КУРС ЯПОНСКОГО ЯЗЫКА 678.5 KB
  Перед тем, как приступить непосредственно к урокам, необходимо овладеть каной. Кана – слоговая азбука, возникшая в VII в. нашей эры в результате графического сокращения и преобразования китайских иероглифов в знаки алфавита. Существует два вида каны – хирагана и катакана. Хирагана предназначена для записи собственно японских слов и китаизмов
23539. Учебник языка эсперанто 888 KB
  В отличие от русского языка в настоящем времени глаголсвязка estas 'есть' 'является' 'имеется' 'находится' от глагола esti 'быть' не опускается: Nia celo estas demokratio. Marso estas planedo. Формы множественного числа слов оканчивающихся на o или a образуются прибавлением окончания j: novaj frazoj; niaj geografiaj kartoj; Vi estas juna 'Ты молод'; Vi estas junaj 'Вы молоды'. Глагол havi всегда требует винительного падежа глагол esti никогда; Li havas elegantan palton; Lia palto estas eleganta.
23540. ГРАММАТИКА ИСПАНСКОГО ЯЗЫКА 1.02 MB
  1 Имя существительное Nombre sustantivo В испанском языке существительные бывают: собственные Rosa Роза Carmen Кармен нарицательные la mesa стол el árbol дерево одушевленные el hombre мужчина el gato кот неодушевленные el bosque лес la silla стул конкретные la cara лицо el techo потолок абстрактные el tiempo время el aire воздух собирательные la biblioteca библиотека la muchedumbre толпа 1. Существительные которые оканчиваются в единственном числе на согласные z и x меняют их во множественном числе на c:...
23541. НЕМЕЦКИЙ ЯЗЫК. УНИВЕРСАЛЬНЫЙ СПРАВОЧНИК 3.34 MB
  2] К ЧИТАТЕЛЮ [1] Язык DIE SPRACHE [1. Die Anwendung des Zeitwortes [2.2] Префиксы die Vorsilben er ent ver.3] Никаких сложносоставных существительных die Substantivkopellungen.
23542. Генетическая классификация языков мира: необходимый минимум для студентов I курса 47.5 KB
  Для перечисленных ниже языков полезно знать не только то к какой группе и семье они относятся но и где на них говорят с точностью до страны или хотя бы континента A. Языки Евразии включая циркумполярную область Индоевропейская семья более 400 языков Албанский Армянский Греческий древне и новогреческий Кельтские: бретонский корнский валлийский ирландский шотландский и др. Тохарские мертвые: тохарский А и тохарский Б Уральская семья более 30 языков Прибалтийскофинские: финский эстонский ливский водский карельский...
23543. МЕТОДЫ КОМПАРАТИВИСТИКИ 103 KB
  Многообразие методов изучения языков III. Трактовка и апробация методов изучения языков разными ученымилингвистами: сравнительноисторический метод; сравнительный метод; сопоставительный метод; сопоставительнотипологический метод; метод индексирования; описательный метод; метод контрастивного анализа и его типы; IV. Настоящая работа посвящена тем аспектам языкознания или лингвистики которые занимаются сравнительным изучением внутренних законов развития и функционирования языка и ставит своей целью выявление принципов...
23544. ЖИВОЕ СЛОВО 222 KB
  Под оратором мы разумеем не только лиц произносящих речи в больших собраниях на митингах и т. Рудин владел едва ли не высшей тайной музыкой красноречия. Самый звук его голоса увеличивал обаяние; казалось что устами говорило чтото высшее для него самого неожиданное Дар воодушевленной проникнутой живым чувством речи драгоценнейший дар для агитатора. Художественная картинка воздействия на толпу воодушевленной речи дана Горьким в его превосходной сказочке О чиже который лгал.