Триоды и тетроды СВЧ

Контрольная работа

Содержание

1 Влияние времени пролета на характеристики электронной лампы

2. Входная проводимость лампы

3. Эквивалентная схема электронной лампы на СВЧ. Усилители и генераторы

4. Включение лампы в схеме с общей сеткой

5. Особенности триодного автогенератора с общей сеткой

6. Схема с общим анодом

7.Элементы конструкций триодных генераторов и усилителей

8.Тетроды СВЧ. Резнатрон

9.Применение триодов и тетродов СВЧ

10.Некоторые вопросы расчета и проектирования электронных СВЧ ламп и ламповых СВЧ устройств

Литература

1 Влияние времени пролета на характеристики электронной лампы

При повышении частоты электрических колебаний, подводимых к управляющей сетке лампы, возникают явления, затрудняющие нормальную работу лампы. Уменьшается входное активное сопротивление лампы, крутизна анодно-сеточной характеристики становится комплексной величиной. Ее модуль уменьшается с ростом частоты, а фазовый угол увеличивается, что уменьшает К.П.Д. автогенератора.

Когда в лампе больше двух электродов, то пространство между двумя соседними электродами можно представить в виде эквивалентного диода.

Так как плотность электронного объемного заряда обратно пропорциональна скорости электронов, то обычно в лампах наибольшая плотность этого заряда имеет место в первом эквивалентном диоде (пространство катод – первая сетка). В эквивалентных диодах, следующих за первым, скорость электронов возрастает, а плотность зарядов падает и мало влияет на распределение потенциала. Поэтому можно рассчитывать время пролета с учетом объемного заряда только в первом эквивалентном диоде и пренебрегать его влиянием во всех последующих.

2. Входная проводимость лампы

Если на вход подано переменное напряжение , то появляется входная проводимость лампы. На низких частотах активная составляющая входной проводимости при положительной сетке определяется сеточными токами, а при отрицательной сетке стремится к нулю. Реактивная составляющая входной проводимости определяется емкостями сетка-катод и сетка - анод. На СВЧ активная составляющая входной проводимости даже при отрицательной сетке не равна нулю. Она обусловлена тремя факторами:

наличием угла пролета электронов

где ZC1 – расстояние между катодом и первой сеткой; - действующий потенциал в области 1-й сетки;

влиянием индуктивности катодного вывода;
потерями энергии на СВЧ.

Реактивная составляющая входной проводимости электронной лампы может быть скомпенсирована внешними реактивными элементами, чего нельзя сделать с активной составляющей. Вредное влияние активной составляющей проводимости состоит в следующем:

активная проводимость шунтирует входной колебательный контур, снижается добротность и уменьшается коэффициент усиления;
уменьшается отношение сигнал-шум;
увеличивается входная мощность необходимая для раскачки лампы.

Для расчета входной проводимости будем использовать следующие ограничения:

на сетку подано отрицательное смещение, т.е. через нее протекает только ток смещения.
Будем рассматривать случай малых амплитуд.
Ограничимся углом пролета в пространстве катод-сетка , так как при больших углах пролета эффективность лампы значительно снижается.
Пренебрежем пролетными эффектами в пространстве сетка-анод, считая .

Сведем триод к эквивалентному диоду у которого на месте сетки расположена сплошная металлическая поверхность.

Воспользовавшись полученной для диода формулой (2.8)

получим:

где - крутизна эквивалентного диода.

Можно переписать выражение для

Ток смещения равен:

Определим какая часть тока смещения эквивалентного диода попадает на сетку.

Где Сак – емкость между сеткой и последующим электродом; D1 – проницаемость первой сетки D1<<1.

Величина крутизны эквивалентного диода - крутизне по катодному току.

Сопоставляя (1) и (2) видно, что синусоидальный член дает активную составляющую входной проводимости

(3)

А косинусоидальный член реактивную составляющую

Скс – холодная емкость катод-сетка.

Крутизна характеристики по катодному току ,

и поэтому:

Не зависит от расстояния катод-сетка.

Формула (3) учитывает лишь явления в пространстве катод-сетка. Действующий потенциал электрода за первой сеткой в случае тетродов и пентодов не меняется во времени (экранирующая сетка соединена с катодом через большую емкость). При этом переменное электрическое поле между управляющей и экранирующей сеткой определяется только переменным потенциалом первой сетки.

В этом случае в формулу (3) вводят коэффициент f (рис 1)

Рис 1

, где

- отношение расстояний вторая сетка – первая сетка, первая сетка – катод;

- отношение действующих потенциалов в области второй сетки и 1 сетки.

Учет влияния индуктивности катодного вывода.

Схема с учетом индуктивности катодного вывода имеет вид рис 2

Рис 2

Принимая во внимание, что обычно

получим

Формулы показывают, что благодаря влиянию индуктивности катодного вывода активная проводимость возрастает, а динамическое значение емкости уменьшается. Для уменьшения индуктивностей выводов делают дисковые выводы.

Комплексная крутизна лампы.

Комплексную крутизну можно определить как отношение комплексной величины тока в анодной цепи к переменному напряжению на входе лампы

Согласно формуле (2.8) связь между полным током и напряжением определяется формулой

Если то полный ток

Ток смещения у витков управляющей сетки согласно (2)

Электронный ток, проходящий через витки ie сетки, равен разности между полным катодным током и током смещения

(4)

Формулу (4) можно записать в виде

где:

При можно считать: .

Таким образом, в пространстве последняя сетка-анод электронный ток может быть представлен выражением:

, (5)

Где S – крутизна по анодному току, - угол пролета от первой сетки до последней перед анодом сетки.

Если выходной резонатор лампы включен между последней сеткой и анодом, то наведенный в резонаторе ток будет равен

, (6)

где - угол пролета в пространстве последняя сетка-анод;

- коэффициент связи электронного потока с резонатором.

3. Эквивалентная схема электронной лампы на СВЧ. Усилители и генераторы

Для анализа усилителей и генераторов удобно использовать представление электронной лампы четырехполюсникам, описываемым той или иной системой параметров (Y,Z,A,G). На радиочастотах, когда пролетными эффектами в лампе можно пренебречь эквивалентная схема имеет вид рис

рис

Где межэлектродные емкости лампы, - внутренняя проводимость, - управляемый источник тока, - амплитуда напряжения на управляющей сетке, S – крутизна анодно-сеточной характеристики.

По первому закону Кирхгоффа выразим токи через напряжения

Матрица Y – параметров лампы в схеме с общим катодом запишется в виде

Лампа является невзаимным четырехполюсником, так как .

Схема усилителя на лампе будет иметь вид рис 4.

Рис 4.

Уравнения четырехполюсника при этом

(7)

- полные проводимости контуров на входе и выходе усилителя.

Усилитель будет устойчив, если вещественная часть выходной проводимости будет положительна на всех частотах.

. (8)

Найдем коэффициент усиления по мощности.

Из второго уравнения (7)

Подставляя в первое уравнение (7) получим

(9)

Мощность, которую отдал бы источник сигнала в согласованную с ним нагрузку: .

Мощность отдаваемая усилителем в нагрузку равна, , где и - резонансные проводимости входного и выходного контуров.

Используя (9), получим

(10)

Прежде, чем воспользоваться формулой (10) необходимо исследовать устойчивость схемы усилителя во всем частотном диапазоне, так как самовозбуждение возможно на частотах, далеких от предполагаемой рабочей частоты усилителя.

Вещественная часть выходной проводимости усилителя

Где - реактивная составляющая полной проводимости

Очевидно, что функция иметь экстремумы и устойчивость схемы будет обеспечена, если . Величину , соответствующую минимуму можно определить из условия:

Подставляя 12 в 11, и отбрасывая максимальное решение, получим условие устойчивости усилителя в виде

(13)

Подставляя в (13) выражения для и, предполагая, что , получим условие устойчивости схемы усилителя

(14)

Подставляя в формулу для коэффициента усиления (10) значения и получим при настройке контуров в резонанс

(15)

Если рабочая частота и проходная емкость лампы удовлетворяет условиям:

То при оптимальной нагрузке, соответствующей максимуму отдаваемой в нагрузку мощности, формула (15) приобретает вид

(16)

Сопоставляя (15) и (16) не трудно убедиться, что без учета пролетных явлений в лампе с ростом рабочей частоты коэффициент устойчивого усиления уменьшается, а максимальная частота, соответствующая устойчивому усилению, из (14) равна

(17)

Для повышения рабочей частоты устойчивого усиления необходимо увеличивать резонансные проводимости контуров и уменьшать проходную емкость Сса ламп. Уменьшение крутизны лампы нельзя рекомендовать для повышения рабочей частоты устойчивого усиления, так как , и это приводит к уменьшению коэффициента усиления.

Если то

Задаваясь коэффициентом устойчивости , т.е. , получим

(18)

)

Формула (18) определяет максимальный устойчивый (при коэффициенте устойчивости равном Ку = 2) коэффициент усиления лампы на частоте w. Отношение характеризует пригодность лампы для высокочастотного усиления (качество лампы). На высоких частотах усиление .

При учете пролетных явлений в лампе эквивалентная схема лампы приобретает вид рис 5

Рис 5

Матрица Y – параметров в схеме с общим катодом

, (19)

где

Если пренебречь пролетными эффектами в пространстве сетка-анод из-за того, что ,

При этом

При относительно больших углах пролета можно предположить даже при

Тогда

Используя полученные соотношения, можно получить условие устойчивости усилителя аналог формулы (14) в виде

(20)

Формула (10) для коэффициента усиления при учете пролетных эффектов в лампе с учетом ранее принятых допущений приобретает вид

При подстановке в нее условия (20) при коэффициенте устойчивости Ку=2

получим

, (21)

где

При , , и формула 21 переходит в формулу 18:

График функции имеет вид, показанный на рис 6

Рис 6

Для автогенератора условия самовозбуждения автоколебаний соответствуют неустойчивости схемы, т.е. неравенства (14) и (20) должны иметь обратный знак. При запасе по возможности самовозбуждения без специальных внешних цепей обратной связи приобретают вид:

- если не учитываются пролетные эффекты

- если учитываются пролетные эффекты.

В последних формулах под величиной понимаются собственные потери во входном резонаторе в цепи сетка – катод. Последние формулы носят лишь оценочный характер, так как для осуществления баланса фаз в автогенераторе резонаторы будут несколько расстроены относительно генерируемой частоты.

4. Включение лампы в схеме с общей сеткой

В отличие низких частот на СВЧ наиболее широкое применение нашла не схема с общим катодом, а схема с общей сеткой, воспользуемся неопределенной матрицей У – параметров (вспомним курс ЭЦ и МСТ). Составим неопределенную матрицу У – параметров, используя в качестве исходных параметры в схеме с общим катодом:

Или в матричной форме

Вычеркивая первую строку, соответствующую току общего электрода (сетки) и первый столбец, соответствующий напряжению общего электрод - сетки, получим после упорядочения:

с учетом

С у четом того, что:

получим:

С учетом этого выражения (13) приобретает вид

и не зависит от частоты и выполняется всегда, т.е. схема усилителя абсолютно устойчива. Выражение для коэффициента усиления (10) при настройке контуров резонанс с учетом того, что имеет вид

При двухстороннем комплексно сопряженном согласовании усилителя

коэффициент усиления равен

, (23)

где - статический коэффициент усиления лампы по напряжению, практически не зависящий от режима работы лампы.

Для триодов является небольшой величиной ( = 20-30) и поэтому коэффициент усиления лампового каскада по мощности будет небольшим.

При учете пролетных явлений в лампе формула для коэффициента усиления (22) приобретает вид

При этом также справедлива формула (23), если выполняются условия двухрезонаторного комплексно-сопряженного согласования

и оба контура настроены в резонанс на усиливаемой частоте.

Практическое отсутствие внутренней обратной связи в схеме с общей сеткой за счет малости Сак приводит к необходимости использования внешней обратной связи в СВЧ автогенераторах, построенных по этой схеме.

Основные достоинства схемы с общей сеткой:

В схеме с общей сеткой внутренняя обратная связь создается за счет конечной индуктивности сеточного вывода Lc и межэлектродной емкости катод-анод Сак. В любом триоде емкость Сак имеет наименьшую величину в сравнении с другими межэлектродными емкостями Сак и Сас. Индуктивность сеточного вывода также может быть сделана минимальной при использовании дискового вывода. Поэтому паразитная обратная связь в схеме с общей сеткой оказывается более слабой, чем в схемах с общим катодом и общим анодом. Это особенно существенно для триодных усилителей, склонных к самовозбуждению на СВЧ. В случае генераторов ослабление внутренней обратной связи, не поддающейся регулировке, также полезно для подбора оптимальной величины внешней обратной связи.
Схема усилителя и генератора с общей сеткой особенно удобна на СВЧ с конструктивной точки зрения. Соединение триода с двумя независимыми полыми резонаторами без их взаимного пересечения возможно лишь при включении резонаторов по обе стороны от плоскости сетки (рис 7).

Рис 7.

Один резонатор включен между катодом и сеткой, второй между анодом и сеткой. Катод, анод и сетка непосредственно входят в состав полых резонаторов.

5. Особенности триодного автогенератора с общей сеткой

Определим частоту колебаний и роль контуров в автогенераторе. Частота колебаний в первом приближении определяется «холодной» резонансной частотой его колебательной системы.

Обобщенная эквивалентная схема и ее двухрезонаторная реализация в схеме с общей сеткой имеет вид (рис 8)

Рис 8

Сопротивления Z1 и Z2 реализованы катодно-сеточным и анодно-сеточным резонаторами соответственно. Сопротивление Z3 = jХсв – сопротивление внешней обратной связи между входом и выходом лампы в схеме с общей сеткой.

В сложном параллельном колебательном контуре, образованном Z1, Z2 и Z3, на частотах близких к резонансу токов, токи в ветвях Z1-Z2 и Z3 почти противофазны. Чтобы получить противофазность напряжений, катод – сетка и катод-анод необходимо обеспечить одинаковый знак сопротивлений Z3 и Z1 (реактивного сопротивления катодно-сеточного контура).

Если Z3 = jXсв имеет емкостной характер, то на частоте автоколебаний катодно-сеточный контур должен обладать емкостной проводимостью. Это означает, что генерируемая и соответствующая ей резонансная частота всей системы обязательно должна быть выше собственной частоты катодно-сеточного контура.

С другой стороны при двух элементах системы Z1 и Z3, имеющих на рабочей частоте емкостной характер, для обеспечения резонанса на той же частоте, анодно-сеточный контур должен обязательно иметь индуктивное сопротивление. Отсюда следует, что резонансная частота анодно-сеточного контура должна быть несколько выше частоты генерируемых колебаний. Такая схема автогенератора называется емкостной трехточкой (рис 9)

Рис 9

При изменении настройки катодно-сеточного резонатора изменяется его реактивная проводимость. Соответственно этому изменяется высокочастотное напряжение между катодом и сеткой . Отношение этого напряжения к напряжению между катодом и анодом , называется коэффициентом обратной связи

Следовательно, настройка катодно-сеточного резонатора влияет как на резонансную частоту всей колебательной системы, так и на коэффициент обратной связи. Напряжение по модулю значительно превышает напряжение . Поэтому эквивалентная емкость С1 катодно-сеточного контура должна быть С1>>C

В этом случае частота

Мало зависит от настройки катодно-сеточного контура. Роль этого контура сводится в основном к изменению коэффициента обратной связи, от которого зависит мощность генерируемых колебаний. При перестройке катодно-сеточного резонатора генерируемая мощность проходит через максимум, хотя частота колебаний остается почти неизменной.

Величина коэффициента обратной связи зависит не только от настройки катодно-сеточного контура, но и от сопротивления обратной связи: .

Это сопротивление обычно делают фиксированным. Емкость С3 выбирается по возможности небольшой, чтобы резонансное сопротивление колебательной системы было велико. Поэтому величина эквивалентной индуктивности L2 оказывается высокой, а частота генерируемых колебаний оказывается очень близкой к резонансной частоте анодно-сеточного контура.

Если имеет индуктивный характер, то также должно иметь индуктивный характер, а – емкостной характер.

Рис 10

Схема называется индуктивной трехточкой (рис. 10) частота генерации.

Контур в цепи катод-сетка должен быть настроен на частоту выше частоты генерации, а резонансная частота анодно-сеточного резонатора должна быть несколько ниже частоты генерации. Для обеспечения оптимальной обратной связи

и эквивалентная емкость анодно-сеточного резонатора должна быть малой для повышения резонансного сопротивления резонансной системы. При этом частота генерации должна быть близка к частоте настройки анодно-сеточного резонатора.

Основные выводы для генератора с общей сеткой:

Основным частотно-задающим элементом в схеме является резонатор в цепи сетка-анод.
Катодно-сеточный резонатор позволяет практически независимо регулировать обратную связь и проводить настройку генератора по максимуму выходной мощности.
Низкое входное сопротивление лампы в схеме с общей сеткой делает контур в цепи катод-сетка низкодобротным и регулировку обратной связи плавной.
Пролетные эффекты в лампе в основном влияют на коэффициент обратной связи, еще более снижая входное сопротивление лампы:
,
однако на фоне большой величины Sк добавка сказывается не очень сильно

6. Схема с общим анодом

В случае мощных усилителей и генераторов часто анод лампа делается внешним для принудительного охлаждения. В этом случае приходится использовать схему включения лампы с общим анодом.

Вычеркивая в неопределенной матрице Y – параметров вторую строку, соответствующую току анода и второй столбец, соответствующий напряжению на аноде получим.

Из этой матрицы получим

Поступая аналогично тому, как мы делали ранее, получим

Условие устойчивости схемы, аналогичное (13)

, (24)

можно преобразовать к виду

При (25)

Запасу по устойчивости Ку=2 соответствует

Коэффициент усиления по мощности в схеме с общим анодом на резонансной частоте

При

Оценим рабочую частоту такого усилителя.

Пусть Gi = 10-3; Сск = 210-12ф; Кр=10, тогда

т.е. высокочастотные свойства такого тела являются плохими.

Обратное неравенству (24) соотношение, соответствует запасу по возможности самовозбуждения 2, приводит к выражению

где Gc определяется потерями во входном резонаторе сетка-анод

Учет влияния пролетных эффектов можно провести заменой:

Последующие использования формулы (12)

c аналогом формулы (13) для данной схемы

позволяет рассчитать требуемую расстройку входного контура

и значение при которых происходит самовозбуждение схемы. Из-за громоздкости формул установление простых закономерностей затруднено и требуются численные расчеты влияния пролетных эффектов.

7.Элементы конструкций триодных генераторов и усилителей

В триодных генераторах и усилителях основное применение пошли паяние резонаторы типа коаксиальной линии, нагруженной на межэлектродную емкость лампы.

Возможно различное расположение резонаторов, обеспечивающее подачу трех напряжений питания: сеточного смещения, анодного напряжения и напряжения накала (рис 11), где

Рис 11

1 – катодно-сеточный резонатор

2 – анодно-сеточный резонатор

3 – короткозамыкающий поршень с разделительными конденсаторами

4 – вывод анода

5 – вывод катода

6 – вывод сетки

7 – блокировочный конденсатор.

Если триод работает как усилитель, входной сигнал подается в катодно-сеточный резонатор, а выходной снимается из-за анодно-сеточного резонатора, обратная связь в автогенераторе осуществляется через штыри связи (рис 12), или петли связи (рис 13) или отверстия в общей стенке резонаторов.

Рис. 12. Рис. 13

Резонаторы используются обычно внешние.

Конструкции триодов метало – стеклянные и метало - керамические.

Высокочастотные выводы имеют форму металлических дисков или цилиндров, к которым с помощью пружинящих контактов подключаются наружные не вакуумные участки полых резонаторов. В некоторых случаях в состав лампы включаются специфические детали, относящиеся к резонаторной системе – разделительные конденсаторы и элементы обратной связи.

Метало-керамическая лампа малой мощности имеет конструкцию рис 14

Рис 14

Разработаны и значительно более мощные метало – керамические триоды СВЧ с жидкостным охлаждением, способные работать на частотах 400-600 МГц в непрерывном режиме при мощности до 300 кВт и в импульсном режиме при мощности до 5 МВт. КПД таких триодов на рабочей частоте доходит до 60%. Однако коэффициент усиления триодов работающих в схеме с общей сеткой удается сделать выше 10-15 дБ.

Особенности работы триодов СВЧ в режиме больших амплитуд.

В зависимости от величины постоянного смещения на сетке Uco и амплитуды переменного напряжения Uc1 конвекционный электронный ток ia, поступающий в пространство сетка-анод при низких частотах изменяется во времени как показано на рис. 15

Рис 15

В режиме больших амплитуд (классе С) метод электростатического управления позволяет получать импульсы конвекционного тока в виде отсеченных снизу участков косинусоиды. Уменьшая угол отсечки путем увеличения сеточного смещения Uco и повышения амплитуды Uc1 можно получить ток в форме коротких импульсов, разделенных паузами. На низких частотах мощность от источника переменного напряжения практически не потребляется.

При рассмотрении пролетных явлений в пространстве сетка-катод в режиме большого сигнала будем использовать фиктивный угол пролета, определенный ранее для случая малых амплитуд. При углах пролета все электроны, выходящие из облака вблизи катода, достигают сетки и двигаются далее к аноду (рис 16).

Рис 16

группы электронов соответствующие интервалам времени, когда действующий потенциал в плоскости сетка положителен, образуют электронные сгустки при нормально действующем электростатическом управлении электронным потоком. С увеличением угла пролета появляется группа электронов, эмитированных в конце положительного полупериода, которые не долетев до плоскости сетки, возвращаются на катод (17). электрон типа 1 начинает свое движение в момент перехода управляющего напряжения U через нуль от тормозящего к ускоряющему полю. Этот электрон оказывается в переднем фронте сгустка, пересекающего плоскость сетки, и подходит к сетке в момент t1 со значительной скоростью. Электрон 4, вышедший из катода незадолго до конца того же полупериода, возвращается на катод. В момент удара 0 катод электрон имеет конечную кинетическую энергию. Таким образом, электрон типа 4, поглотивший часть энергии высокочастотного поля, рассеивает ее на катоде, что вызывает дополнительный разогрев катода. Существование группы электронов, возвращающихся на катод, что вызывает дополнительный разогрев катода. Существование группы электронов, возвращающихся на катод, принципиально отличает режим большого сигнала от режима малого сигнала.

Последним движение электрона типа 3, эмитированного из катода в момент максимального ускоряющего напряжения. Этот электрон может неограниченно долго колебаться в межэлектродном пространстве, возвращаясь к катоду с нулевой скоростью равно через триод высокочастотного напряжения. Анализ показывает, что при , половина эмитированных электронов, т.е. все электроны, вышедшие из катода во второй половине ускоряющего полупериода после электрона типа 3, не достигают сетки и возмущаются на катод.

Остальные электроны, эмитированные катодом в первой половине ускоряющего полупериода, поступают в пространство сетка-анод. Однако часть этих электронов пересекает плоскость сетки лишь после одного или нескольких колебаний в пространстве катод – сетка. Для иллюстрации таких электронов показан электрон типа 2, приближающийся к сетке в момент t2 со скоростью, стремящейся к нулю. С помощью рисунка можно качественно построить графики конвекционного тока и скоростей электронов, пересекающих плоскость сетки. Если отвлечься от рассмотрения многократных колебаний электронов, то длительность импульса конвекционного тока в плоскости сетки определяется моментами времени t1 и t2. Скорости электронов в сгустке оказываются различными, а разброс скоростей снижает КПД триода.

Рис 17

Из-за пролетных явлений импульса конвекционного тока отстают от управляющего напряжения по фазе. В усилителях это отставание не играет существенной роли. Однако в генераторе этот фазовый сдвиг играет существенную роль. Фаза обратной связи на СВЧ должна отличаться от и может приближаться к 2. Опыт показывает, что в режиме больших амплитуд является предельным.

Остроконечные импульсы конвекционного тока, поступающие в пространство сетка-анод, наводят ток в анодной цепи лампы.

Влияние конечного времени пролета электронов в пространстве сетка анод приводит к расширению импульса наведенного тока в сравнении с импульсом конвекционного тока (рис 18).

Рис 18

Начало импульса, наведенного тока совпадает с моментом, когда начинают поступать первые электроны в пространство анод-сетка. Окончание импульса наведенного тока соответствует моменту, когда последние электроны сгустка достигают плоскости анода. Поскольку в режиме большого сигнала амплитуда переменного напряжения на аноде сравнима с постоянным напряжением, электроны в цепи сетка-анод получают лишь небольшое ускорение.

Поэтому графики движения электронов приобретают веерообразный вид. Растягивание импульса наведенного тока приводит к уменьшению его амплитуды, а также к уменьшению выходной мощности и КПД. Уже в длинноволновой части сантиметрового диапазона КПД не превышает 20-30%.

8.Тетроды СВЧ. Резнатрон

Недостатки триодов СВЧ, сказывающиеся в режиме большого сигнала, могут быть частично уменьшены путем добавления экранирующей сетки, расположенной между анодом и управляющей сеткой. Рассмотрим тетрод, у которого входной колебательный контур включен между катодом и управляющей сеткой, а выходной контур между анодом и экранной сеткой (рис 19).

Рис 19

В зазоре между управляющей и экранной сеткой высокочастотное напряжение должно отсутствовать. Для этого между ними включаются блокировочные конденсаторы или эквивалентные им отрезки длинной линии, не показанные на рисунке.

Паразитная обратная связь за счет емкости анод-катод очень мала благодаря экранирующему действию двух сеток. Таким образом схема обладает безусловной устойчивостью. Схему легко превратить в автогенератор за счет внешней обратной связи.

Основной режим работы СВЧ тетрода – режим больших амплитуд класса С. Основные отличия и преимущества тетрода связаны с явлениями между экранной сеткой и анодом.

Электронные сгустки, проходящие через плоскость управляющей сетки, не сразу попадают в выходной зазор, а предварительно ускоряются сильным постоянным полем в промежутке между двумя сетками (рис 20).

Благодаря этому в значительно меньшей степени сказывается различие электронов в плоскости первой сетки, приводящее в триодах к растягиванию импульса наведенного тока. Ускорению импульса наведенного тока в выходной цепи способствует также уменьшение времени пролета участка экранная сетка-анод. Это способствует увеличению амплитуды первой гармоники тока и электронного КПД. Рассмотрим пространственно временную диаграмму для СВЧ тетрода в режиме больших амплитуд.

Рис 20

Подобно триодам, СВЧ тетроды имеют внешние резонаторы, одеваемые снаружи на метало - стеклянную или метало – керамическую оболочку. Для особо мощных тетродов нашел применение вариант с внутренними полыми резонаторами. Такой тетрод получил название резнатрон (рис 21).

Рис 21

При =40-200 см непрерывная мощность до нескольких десятков и даже сотен кВт при КПД 60-75%. Кз=8-10дБ.

9.Применение триодов и тетродов СВЧ

Входные усилители малого сигнала для СВЧ приемников сейчас вытесняются усилителями на ЛБВ и транзисторными усилителями.
Измерительные лабораторные генераторы малой и средней мощности.
Генераторы и усилители средней мощности для передатчиков телевизионной, связной и навигационной аппаратуры, для радиорелейных линий связи.
Импульсные генераторы средней и высокой мощности для передатчиков разно-локационной аппаратуры.
Тетроды в основном применяются в качестве мощных усилителей выходных каскадов передатчиков и в системах радиопротиводействия.

Недостатком триодов и тетродов СВЧ по сравнению с другими усилителями (ЛБВ, клистроны) является низкий коэффициент усиления с сочетанием с относительно узкой полосой пропускания.

Достоинства: отсутствие устройств для фокусировки электронного потока сравнительно низкие питающие напряжения, высокая стабильность частоты по отношению к изменению питающих напряжений, относительная дешевизна.

10.Некоторые вопросы расчета и проектирования электронных СВЧ ламп и ламповых СВЧ устройств

Алгоритм проектирования распадается на следующие этапы:

Оценка допустимых углов пролета и расстояний сетка – катод и сетка – анод на основе выбранных значений анодного напряжения Uао и анодного тока Iао. Если напряжение и ток не заданы, то ими задаются исходя из требуемой мощности.
Расчет площади поверхностей катода и анода по токовой и тепловой нагрузке.
Выбор конструкции и определение параметров сетки.
Расчет входной проводимости, комплексной крутизны и импульсов тока в плоскости.
Выбор нагрузки, напряженности режима, оценка электронного КПД.
оценка полного КПД и выбор системы охлаждения.
Общая характеристика и увязка всех параметров.

Литература

НИУ БелГУ, Каф. информационно-телекоммуникационных систем и технологий ; сост.: Е.П. Пеньков, В.Е. Пеньков ; рец.: Г.А. Травин, И.А. Сидоренко: Схемотехника для бакалавров. - Белгород: ПОЛИТЕРРА, 2012

НИУ БелГУ, Каф. информационно-телекоммуникационных систем и технологий ; авт.-сост.: Е.П. Пеньков, В.Е. Пеньков ; рец.: Г.А. Травин, В.П. Коновалов: Основы схемотехники. - Белгород: НИУ БелГУ, 2011

Ямпурин Н.П.: Электроника. - М.: Академия, 2011

Коваленко А.А.: Основы микроэлектроники. - М.: Академия, 2010

под ред. Г.Г. Раннева ; рец.: В.Н. Малиновский, В.Л. Шкуратник: Информационно-измерительная техника и электроника. - М.: Академия, 2009

Лебедев А.И.: Физика полупроводниковых приборов. - М.: Физматлит, 2008

Коваленко А.А.: Основы микроэлектроники. - М.: Академия, 2006

Горошков Б.И.: Электронная техника. - М.: Академия, 2005

Пасынков В.В.: Полупроводниковые приборы. - СПб.: Лань, 2002

Драгунов В.П.: Основы наноэлектроники. - Новосибирск: НГТУ, 2000

Ильин В.И.: Варизонные полупроводники и гетероструктуры. - СПб.: Наука, 2000

Под ред А.Ф. Хохлова: Физика твёрдого тела . - Н. Новгород: ННГУ, 2000

Под ред. А.Ф. Хохлова: Физика твёрдого тела. - Н. Новгород: ННГУ, 2000

Перельман Б.Л.: Полупроводниковые приборы. - М.: Солон: Микротех, 1996

Галкин В.И.: Полупроводниковые приборы. - Минск: Беларусь, 1994

Триоды и тетроды СВЧ