§ 9.2. Особенности работы ламп на повышенных частотах

При повышении частоты учудчтается работа ламп и на определенных частотах их применение становится невозможным или нецелесообразным. Причины ухудшения заключаются в следуюш,ем. Уже в диапазо-несредних волн начинают сказываться междуэлектродные емкости лампы и прежде всего проходная, приводящая к возникновению самовозбуждения и паразитных колебаний (сч. гл. 8). В диапазоне высоких частот входная и выходная емкости лампы оказываются соизмеримыми с емкостями колебательных контуров Через выводы и электроды лампы начинают протекать большие токи радиочастоты, приводя к их дополнительному нагреву. Междуэлектродные емкости лампы вместе с емкостью монтажа определяют минимально х\опустимое значение емкости колебательного контура. На повышенных частотах это приводит к снижению характеристгшеского сопротивления контура = = / L,/Ck и уменьшению его к,п.д.: т = 1-R.yJ{ZQl. Кроме того, снижение к, п. д. контура происходит из-за увеличения мощности потерь в диэлектриках лампы и потерь в контуре на излучение, а также поверхностного эффекта. Возрастание потерь снижает добротность Сх и эквизалгнтное сопротивление контура Z? в результате чего улсет снизиться напряженность режима лампы и к.п.д. анодной цепи.

На частотах 500-1000 МГц начинает проявляться инерционность работы лампы. Как известно, скорость движения электронсв в электрическом поле v определяется зарядом электрона е, его массой п и напряжением Е, вызвавшим дви; енис электронов- v = YoElm. Полагая среднюю скорость tcp движения между электродами лампы раВюй половине ее значения в конце пути, получим время пролета электронами / расстояния между электродами d:

t = = 2(i/y . = 3,3-10-8

Для d = 0,03 см E = 100 В, / 10- с. Сравним это время с периодом Т колебаний двух различных частот /:

1) для / = 10 МГц (Я = 30 м) Г = 1 = 10- т. е. / = 0,001 Т;

2) для/= 1000 МГц (А, = 30 см) Г = Ю , т. е. / = 0,1 Г.

В первом случае влиянием времени пролета электронов можно пренебречь, во втором (и во всех случаях, когда /0,1 Т) с влиянием инерционности лампы приходится считаться. При /0,25 Т нельзя пользоваться статическими характеристиками лампы для расчета ее режима.

Большое время пролета электронов > 0,1 Т) увеличивает мощность возбуждения, изменяет форму импульса анодного тока (по сравнению с областью более низких частот и.мпульс ста!1овится ниже и шире), уменьшается содержание первой гармоники тока /ai в импульсе, проявляется сдв!Г фаз между Uf. и /ai. Часть электронов не успевает за рсмя поло.->;<ительного напряжения дойти до анода и возвращается 1!а катод, вызывая его дополнительный нагрев.

Таким образом, при работе па повышенных частотах у лампозог-) усилителя мощности оказываются уменьшенными коэффициент усиления по мощности, к. п. д. и полезтя мощность. Одновременно узети-чивается нагрев лампы.

Ламповый автогенератор кроме отмеченных недостатков из-за сдвига фаз между 6с и /ai имеет пониженную стабильность частоты.

На частотах выше 1-2 ГГц, где лампы теряют свои усилительные свойства, применяются специальные электронные приборы: клистроны, магнетроны, лампы бегущей и обратной волн, диоды Ганна, лавинно-пролетные .ноды и др. (см. гл. 10).

Рис. 9.2

Теория работы лампы с учетом влияния времени пролета электронов очень сложна. В упрощенном варианте она изучается в курсе Этектропные и полупроводниковые приборы . В современных радио-пепедающих устройствах для диапазонов ОВЧ и УВЧ используют специальные генераторные лампы (типа ГИ и ГС), в которых ослаблено влияние времени пролета электронов. У них уменьшены индуктивности выводов и междуэлектродные емкости, снижены потери в диэлектрике.

Внешпин вид металлокерамических ла.мп серий ГИ и ГС показа!! на рис. 9.1, а, б, а схема их конструкции - на рис. 9.2.

Особенностямн таких ламп являются: короткие выводы электродов, прежде всего управляющей сетки; дискообразная управляющая сетка п кольцевой или цилиндрический вывод С; цилиндрические катод и анод, рабочие поверхности - торцы цилиндров; размещение выводов катода и анода /С и Л с противоположных сторон лампы; небольшие площади этектродов, что у.меньшает междуэлектродные емкости; небольшие расстояния между электродами ла.мпы, уменьшаю-Щие вре.мя пролета эле;чтронов; высокое (по возможности) анодное напряжение; высокоэ )фектнвный активированный катод косвенного Накала, необходчм.ыи для получения заданной ьющности при .малой площади катода; крам!1ческнй корпус лампы (специальная радио-

частотная керамика); минимальный объем керамики; отсутствие внутри лампы других изоляторов.

Конструкция металлокерамических ламп разработана специально для использования в усилителях, работающих по схеме ОС. Чаще всего такие лампы применяют в сочетании с колебательными контурами из отрезков коаксиальных длинных линий (см. § 9.4).

В последнее время появилось большое количество видов металлокерамических тетродов, работающих на частотах до 1000 МГц и создающих в непрерывном режиме мощность до 10 кВг. По конструкции тетроды аналогичны триодам,

§ 9.3. Колебательные систегг.ы с распределенными параметрами

Колебательный контур, образованный катупи<ой и конденсатором, является системой с сосредоточенными параметрами в то.м случае, когда размеры катушки, конденсатора и соединнтель!1ЫХ проводов меньше 0,1 X. По мере повышештя рабочей частоты и увеличения мощности ступени передатчика размеры колебательного контура становятся соизмеримыми с длиной волны, т. е. контур становится систе-иой с распределенными пара.метрами.

На повышенных частотах катушка контура вырождается в один виток, в качестве емкости конгура используются междуэлектродные емкости и емкость монтажа. Добротность Q и волновое сопротивление Zc такого контура невелики, следовательно, к. п. д. контура низок.

Для получе1Н1Я достаточно высокого к. п. д. контура и анодной цепи лампы в диапазоне ОВЧ переходят к контурам (рнс. 9.3, а, б) из отрезков длинных линий (двухгфоводных и коаксиальных). При больших .мотцностях (100 кВт и более) отрезки длинных линий используют начиная с частот 20-30 МГц.

Колебательные контуры из отрезков длипн1х линий обладают следующими преимуществами перед контурами с сосредоточенными параметрами: отсутствие соедини гелышьх проводов; особенно удачно сочетаются металлокерамические лампы с коаксиальными контурами; настройка колебательной сис1емы в питроких пределах путем изменения длины линии; мало активное сопротивление проводов двухпроводных и коаксиальных линий токам радиочастоты, т е. высокая добротность. Наибольшей добротностью обладают за.мкнутые системы с распределенными параметрами (коаксиальные, тороидальные и др.), так как в них отсутствуют потери на излучение энергии в окружающее пространство.

Недостатком контуров с распределенными параметрами (рнс. 9.4, а) является их способность к резонансу при данной длине на многих частотах (рис. 9.3, в, г; 9.4,6, б). Конструкция контуров из отрезков длинных линий обычно сложнее.

В основном применяются короткозамкнутые отрезки линий, так как их резонансная длина на основной частоте вдвое короче, чем у отрезков разомкнутых линий (рис. 9.3, в, г) Кроме того, они излучают