2.3. Применение триодов и тетродов свч

В диапазоне СВЧ более широко применяется схема включения триода с общей сеткой, а не с общим катодом, которая до сих пор рассматривалась. Упрощенная схема включения триода с общей сеткой, показанная на рис.2.4, удобна для сравнения с упрощенной схемой триода с общим катодом (см. рис 2.2). Промежуток лампы сетка-катод входит во входную цепь, а промежу­ток анод-сетка - в выходную цепь схемы, так что сетка является общей точкой этих цепей.

Как видно из рис. 2.2 и 2.4, выходная (анодная) цепь связана с входной через емкость в схеме с общим катодом и емкостьв схеме с общей сеткой. Эта связь может привести к самовозбуждению лампы. Посколькузначительно меньше, то схема с общей сеткой более устойчива к самовозбуждению. Благодаря этому она широко применяется на высоких частотах. Не­достатком схемы с общей сеткой является низкое входное сопротивление усилительного каскада (через входную цепь протекает весь переменный катодный ток лампы). Однако можно показать, что с увеличением частоты активная составляющая входной про­водимости каскада с общей сеткой умень­шается из-за увеличения фазового сдвига между сеточным напряжением и первой гармо­никой катодного тока. В то же время в схеме с общим катодом входная проводимость уве­личивается с ростом частоты.

Требование уменьшения времени пролета в лампах СВЧ не является единственным. Не­обходимо также уменьшать междуэлектродные емкости, индуктивность вводов и диэлектриче­ские потери в элементах лампы.

На частотах выше 500 МГц применяются триоды с дисковыми выводами: маячковые и металлокерамические. Рассмотрим для примера конструкцию генератора на маячковом триоде (рис 2 5): 1, 2 — коаксиальные резонаторы в цепях сетка-катод и сетка-анод, 3- петля связи, 4 - настроечные поршни, 5-триод. Катод, сетка и анод плоские. Дисковые выводы становятся частью колебательной коаксиальной системы. Расстояние между электродами доходит до десятых и даже сотых долей миллиметра.

Рис. 2.5

В металлокерамическом триоде ((рис. 2.6): 1 — анод, 2 — сетка, 3-катод) вместо стекла используется специальная керамика. Диэлектрические по­тери в междуэлектродных изоляторах уменьшаются благодаря применению высокочастотной керамики с малым диэлектрическими потерями.

Современные миниатюрные металлокерамические триоды были разработаны на предельную частоту до 10 ГГц. Однако на таких частотах удалось получить очень небольшую мощность и низкий КПД.

Рис. 2.6

В качестве мощных генераторных ламп в длинноволновой части диапазона дециметровых волн применяются преимущественно триоды с водяным или воз­душным охлаждением анодов, в конструкции которых учтены требования, предъявляемые к СВЧ лампам. В коротковолновой части диапазона дециметро­вых волн применяются мощные генераторные триоды, имеющие специальную конструкцию. Кольцевые вводы электродов этих ламп обладают значительно меньшими индуктивностью и омическим сопротивлением и позволяют легко соединить лампы с колебательной системой.

Металлические выводы ламп изготавливаются также из титана. Такие лам­пы называются титанокерамическими. Применение титана позволило улучшить характеристики приборов, так как при высоких температурах, развивающихся при их работе, титан обладает хорошими абсорбционными свойствами, т.е. по­глощает выделяемые в лампе газы и в приборе поддерживается все время ра­бочий вакуум. Титанокерамические триоды имеют меньшие размеры, чем металлокерамические, при равных значениях выходной мощности.

Недостатком СВЧ триодов является низкий коэффициент усиления по мощ­ности. Это обстоятельство привело к разработке тетродов. Электроды тетродов обычно имеют цилиндрическую конструкцию. Обе сетки, а иногда и катод со­ставляются из большого числа стержней, расположенных по образующим ци­линдров соответствующих радиусов. Динатронный эффект ослабляется исполь­зованием лучевой структуры электронного потока и удалением анода от экран­ной сетки на сравнительно большое расстояние. В таких тетродах все электро­ды имеют дисковые выводы.

Для генерирования сверхмощных колебаний СВЧ диапазона конструктивное разделение лампы и колебательной системы из-за больших потерь в соединениях оказывается нерациональным. Поэтому электроды лампы изготавливаются со­вместно с колебательной системой, а резонаторные полости помещаются в ва­куум. Примером может служить тетродный генератор, названный резна­троном, который в дециметровом диапазоне отдает среднюю мощность 50— 70 кВт при КПД 60—65%. Напряжение источника питания составляет 10-16 кВ.

Дальнейшее развитие этого принципа конструирования ламп привело к соз­данию коакситрона. По существу коакситрон представляет собой цилиндриче­скую систему из 48 независимых элементарных триодов с общей сеткой, объ­единенных со входным и выходным резонаторами в одном вакуумном корпусе. Коакситрон имеет широкую рабочую полосу частот и высокую надежность. При­бор рекомендуется к использованию в широкодиапазонных многоканальных ра­диолокационных станциях. Коакситрон А15193 (США) является усилителем с коэффициентом усиления по мощности 13 дБ, рассчитанным на диапазон частот 400—500 МГц при уровне мощности в непрерывном режиме 150 кВт, а в импульсном — 10 МВт (КПД 43%). Разработаны коакситроны, перекрывающие диапазон частот 200—1300 МГц.

Триодные и тетродные генераторы обладают рядом достоинств по сравнению с другими типами генераторов СВЧ. К их числу относятся сравнительно низкие питающие напряжения, отсутствие устройств для фокусировки электронного по­тока, достаточно высокий КПД, сравнительно высокая стабильность частоты по отношению к изменению напряжения питания. Стабильность частоты генераторов в несколько раз выше, чем у аналогичных генераторов на отража­тельных клистронах. Следует отметить также малую стоимость триодов. Основным недостатком триодных и тетродных генераторов является быстрое падение выходной мощности с ростом рабочей частоты. Практически они используются на частотах до 1,5—2 ГГц.

Тетроды СВЧ применяются в основном в выходных каскадах мощных пере­датчиков. Например, в телевизионном передатчике ЛАДОГА, предназначенном для черно-белого и цветного телевизионного вещания в диапазоне 470—622 МГц, в выходном каскаде используется металлокерамический тетрод ГС-17Б с выходной мощностью 7 кВт [11].

Триоды СВЧ применяются в качестве генераторов и усилителей средней мощности, а также в качестве преобразователей и умножителей частоты. В пе­редатчике ЛАДОГА металлокерамический триод ГС-14Б работает усилителем-умножителем. Металлокерамические триоды и. тетроды используются также в передатчиках радиорелейных линий связи с временным разделением и импульс­ной модуляцией. Внешний вид современных триодов и тетродов СВЧ для ма­лых и средних уровней мощности показан на рис. 2.7.

В заключение следует заметить, что все время проводятся работы по усо­вершенствованию триодов и тетродов для телевизионных передатчиков. Фирма Сименс (ФРГ) недавно разработала серию мощных тетродов для телевизион­ных передатчиков дециметрового диапазона, у которых благодаря использова­нию испарительно-конденсационного охлаждения выходная мощность в 2 раза выше, чем при воздушном охлаждении. Эти тетроды дешевле клистронов, эк­вивалентных им по параметрам. Анод тетродов имеет небольшие каналы охлаж­дения, ответвляющиеся от основного канала. В канале под давлением циркули­рует вода, которая кипит и испаряется примерно при 120°С и охлаждает анод. Металлокерамический тетрод RS1034SK имеет выходную мощность 20 кВт.