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

129 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.