книги / Основы применения электронных приборов сверхвысоких частот
..pdf
|
|
|
"1Т |
' |
|
|
|
|
|
|
|
\ |
-36 |
|
|
Тип контура |
|
56 |
|
|
£ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
двухпроводная линия |
||
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
______1 |
||
51 |
|
|
|
|
|
коаксиальная линия |
||
|
|
\ |
|
|
Л |
/ |
оШмнЬт t war,ЩI |
|
46 |
|
|
|
|
0 |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
1 |
|
^ 2 5 № |
' |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
44 |
|
|
у |
f |
v |
|
|
|
|
|
|
|
*\„ З С 3 8 |
|
|
||
40 |
|
|
|
|
УьГИ-146 |
|
|
|
|
|
S |
|
1-б\ |
|
|
||
|
|
|
г |
|
|
|||
|
|
|
|
Л |
|
|
||
36 |
|
|
|
|
|
|
||
32 |
|
|
|
|
|
|
||
28 |
|
|
|
\ |
Л |
|
|
|
24 |
|
|
|
|
i \ |
л п |
? |
|
|
|
|
|
|
Л |
|
|
|
20 |
|
|
/гсзс |
|
|
|
|
|
|
|
|
г |
U |
|
|
||
16 |
|
|
|
\ |
|
Ч 6 \ |
||
|
|
|
\ |
|
|\ |
|
|
|
|
. ж |
|
|
|
|
|
дГС -4 |
|
12 |
ч |
\ з m s |
|
|
|
|||
ч |
ч |
~л |
|
\ |
Д |
|
А |
|
|
\ |
|
||||||
|
|
\ |
|
^ |
ГИ-76 |
ГИ-И1 |
8
\ \
4 |
\ |
О
f |
150 100 |
50 |
30 |
A CV-273 В, L-1553
<
ДГИ-126 6С1 Д6С5Д
|
. 1 1 |
J H |
15 |
10 |
5 |
2.4. Зависимость коэффициента полезного действия от
триодных и тетродных генераторов GB4 с различными контуров.
прерывном режиме уровней мощности до 300 кет на ча стоте 400 Мгц и 10 кет на частоте 900 Мгц [9, 10].
Факторами, ограничивающими уменьшение длины волны триодиых генераторов, являются [5, 6, 7]:
—междуэлектродные расстояния;
—эмиссионная способность катода;
—мощности рассеивания на электродах (включая катодную бомбардировку);
—электрическая прочность (максимально допусти мые напряжения на электродах);
—потери в лампе и ВЧ контуре.
Согласно выражению (2.5), данным табл. 2.1 и воз можностям современных катодов предельные длины волн триодиых генераторов для различных уровней мощ ности могут быть оценены значениями, приведенными в табл. 2.2.
Т а б л и ц а 2.2
Расчетные значения предельной |
длины волны |
|
|||||
|
для триодов с |
различными катодами |
|
|
|||
Вид к атод а |
'э макс, |
Уропеиь |
d g’CM |
Хпр ,см |
|||
и реж им |
а/см» |
мощности |
|
|
|||
Оксидный, |
непре |
2 , 5 |
/ Малый |
0 ,0 0 |
2 |
3 |
,7 |
рывный |
режим |
|
< Средний |
0 ,0 1 |
|
6 |
,3 |
|
|
|
( Большой |
0 ,0 5 |
|
1 0 ,8 |
|
Оксидны», импуль |
25 |
( Малый |
0 ,0 1 ч - 0 |
,0 0 5 |
2 , 9 4 |
- 3 ,2 |
|
сный режим |
|
1 Средний |
0 ,1 4 - 0 ,0 5 |
6 ,3 4 - 5 |
|||
|
|
|
\ Большой |
1 ,0 4 - 0 |
,1 |
1 3 ,7 4 - 6 ,7 |
|
L-катод, |
импуль |
125 |
/ Малый |
0 ,0 1 4 - 0 ,0 0 2 |
1 ,7 4 - 1 ,3 5 |
||
сный режим |
|
| Средний |
1 ,0 4 - 0 ,0 5 |
3 ,7 4 - 2 ,9 |
|||
|
|
|
( Большой |
1 ,0 4 - 0 |
,1 |
8 , 0 4 - 3 , 7 |
Формула (2.5) и данные табл. 2.2 могут быть ис пользованы для ориентировочных расчетов правильно сти применения триодов в отношении длины волны.
Отсюда следует, что конструкцию триода СВЧ нель зя рассматривать в отрыве от возможностей катодов. Среди большого числа разнообразных катодов (метал лических, пленочных, L-катодов и др.) наиболее рас пространенным является оксидный катод, представляю щий собой смесь бикарбонатов бария, стронция и каль ция (ВаСОз, SrC 03, СаСОз), нанесенную на никелевую подложку. Оксидный катод обладает высокой эмисси-
43
Онной способностью, rtMeef сравнйтельйо невысокую ра бочую температуру (около 1000° К) и является достаточ но долговечным; Ограничения, которые накладываются на оксидный катод, определяются:
— допустимой плотностью тока / к, а/см2;
—допустимой напряженностью электрического по ля Е, в/см;
—температурным режимом катода (температура ка
тода должна поддерживаться в пределах 925— 1125°К).
Рис. 2.5. Зависимость анодного тока от анодного напряжения для ламп в диодном соединении.
От температуры катода зависит начальный ток лам пы и ток в области насыщения. Вообще для ламп в ди одном соединении с управляемым пространственным за рядом различают три основные области (рис. 2.5,с):
—область начальных токов I,
—область пространственного заряда //,
—область тока насыщения III.
Теоретическая зависимость начального тока от тем пературы катода при Ua < 0 и плоскопараллелыюй си стеме электродов определяется формулой:
/ ao = |
6 .1 0 'ia.T f - ^ - , |
(2.6) |
|
где Тк — температура |
катода, |
°К; |
|
S — поверхность |
катода, |
см2; |
|
d — расстояние между катодом и анодом, см.
В области пространственного заряда оказывается, что величина анодного тока не зависит от температуры
44
катода и определяется только величиной |
приложенно |
||
го напряжения 1)л, а именно: |
1^3/2 |
|
|
|
/ а — 2,334-10-°. |
(2.7) |
|
|
|
||
где / а — анодный ток, а; |
|
|
|
С1Л— анодное напряжение, в. |
|
|
|
В области |
насыщения ток о зависимости от темпера |
||
туры катода |
определяется следующей формулой: |
||
|
-1.16.10* -=?- |
|
|
|
l, = 2 A J lS t |
к , |
(2.8) |
где ср — работа выхода электронов, эв; |
катода (для |
||
Ао— коэффициент, зависящий |
от типа |
||
многих металлов Л0»60 |
2т ^ . |
|
Рабочая область триодов связана со II областью. Если зависимость анодного тока лампы от напряжения близка к выражению l2l3~ U a, то можно считать, что эмиссионная способность катода нормальная (рис. 2.5.6). Однако по мере ухудшения эмиссионной способности катода (например, в течение срока службы) отступле ние от закона степени 3/г начинает проявляться при меньших значениях тока. При меньших значениях тока начинаются и искрения.
Следующим важным элементом конструкции триодов СВЧ является сетка. Обычно она состоит из ряда па раллельных проволочек, прикрепленных к диску или ци линдру сеточного вывода. Во время работы за счет ра зогревания сетки происходит ее провисание. Последнее неблагоприятным образом может сказаться на вйброустойчивости триодиого генератора.
Как показывают .расчеты [8J, для сеток, выполненных из натянутых вольфрамовых проволок, зависимость ос новной частоты вибрации сетки F связана с ее темпера
турой Тс и определяется выражением
F ^ / Г » |
(2.9) |
где L — длина незакрепленных отрезков проволоки сет ки, см.
Правильное применение триодных и тетродных уси лителей и генераторов СВЧ может быть обеспечено
45
только в том случае, если их схемы рассчитаны на рабо ту в реальных условиях при напряжениях питания, учи тывающих изменения электрических параметров в пре делах допусков при производстве и в течение срока службы приборов.
К числу таких основных параметров относятся: кру тизна характеристики, коэффициент усиления, междуэлектродные емкости, эмиссионная способность катода. Кроме того, необходимо знание рекомендуемых и пре дельно допустимых эксплуатационных режимов триодов, определяемых напряжением накала, анодным напряже нием, напряжением на управляющей сетке, мощностью, рассеиваемой та электродах, напряжением катод — по догреватель, температурой колбы и выводов электродов. Полезными в этом отношении являются статические ха рактеристики ламп: анодные и сеточно-анодные (рис. 2.6 и 2.7).
При выборе и расчёте схемы генератора небезынте ресным является знание следующих данных для триодов (или тетродов) СВЧ: предельная длина волны, расстоя ние между электродами, площадь катода, а также его устойчивость к климатическим и механическим воздей ствиям, время готовности, срок службы, допуска на гео метрические размеры, потребный расход воздуха или жидкости при принудительном охлаждении.
В табл. 2.3 приведены данные для некоторых рас пространенных отечественных и зарубежных типов трио дов и тетродов СВЧ, характеризующие их статические параметры, режим работы и конструкцию (геометрию) приборов. Эти данные позволяют получить представле ние о связи динамических и статических параметров триодов СВЧ. Более подробные сведения могут быть почерпнуты из справочников и частных технических условий на приборы.
Следует заметить, что удовлетворение требованиям надежности и долговечности приборов может быть до стигнуто путем снижения - анодных напряжений для ламп, используемых в аппаратуре, по сравнению с пре дельными испытательными режимами. Кроме того, по мере повышения частоты генератора за счет увеличения потерь и понижения к. п. д. также приходится в ряде случаев понижать питающие напряжения (подводимую мощность).
46
Рис. 2.6. Статические анодные характеристики триодов и тетродов СВЧ.
Рис. 2.7. Статические сеточно-анодные характеристи ки триода и тетрода по второй сетке.
47
|
Основные параметры и данные |
конструкции триодов СВЧ |
Т а б л и ц а 2.3 |
|||||||||
|
|
|
||||||||||
|
|
|
Значения статических параметров |
|
|
Расстоя |
Пло |
Предель |
Предель |
|||
Тнгг |
Режим работы |
|
|
|
|
|
|
|
ние ка |
ная мощ |
||
|
|
|
Cg a . пф |
|
CQ„. Пф |
тод— сет- |
щадь |
ность рас |
ная дли |
|||
триода |
|
S , м а /в |
и- |
с 8К>пФ |
|
“ d g * ‘ |
като |
сеяния |
на волны, |
|||
|
|
|
|
|
|
м к |
да F, |
P Q> от |
Хпр- «■ |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
см* |
|
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
|
6 |
|
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12СЗС |
Непрерывный |
2—4 |
8— 17 |
1,3— 1.8 |
|
0 ,9 — 1,4 0 ,5 —0,65 |
|
|
5 |
30 |
||
ГС-1 Б |
9 |
30 |
|
21,5 |
|
4,5 |
|
0,12 |
|
|
1 200 |
30 |
ГС-ЗБ |
- |
40 |
— |
30,0 |
|
20 |
|
0,04 |
|
|
5 000 |
30 |
(тетрод) |
Импульсный |
25— 35 |
_ |
17—23 |
4 ,7 —6,4 |
|
0,12 |
600 |
|
500 |
30 |
|
ГИ-14Б |
|
|
||||||||||
ГИ-6Б |
Непрерыв |
|
|
11,3 |
|
4,8 |
|
0,25 |
|
|
300 |
22 |
|
ный и |
|
|
(усредненные значения) |
|
|
|
18 |
||||
|
импульс^ |
|
|
|
|
|
||||||
|
ный |
|
|
8 ,4 |
| |
3,15 |
| |
0,02 |
200 |
0,8 |
220 |
15 |
ГС-9Б |
Непрерыв- |
|
|
|||||||||
3C38 |
Непреры&ный |
20 |
100 |
6,5 |
1 |
1,9 |
I |
0,04 |
80 |
|
100 |
12 |
(США) |
|
|
|
(усредненные значения) |
140 |
0,5 |
80 |
9 |
||||
ГИ-12Б |
|
|
|
11 |
|
2,65 |
|
0,04 |
||||
6С5Д |
Импульсный |
3 ,5 - 6 ,5 |
30—50 |
1,9—2,8 |
1,15— 1,5 |
|
0,05 |
100 |
0,17 |
5 ,5 |
8,3 |
|
6С10Д |
6 ,5 — 11 |
30—80 |
2 ,3 —3,3 |
|
1,5—2,3 |
|
0,05 |
40 |
|
9 |
10 |
|
ЕС-56 |
Непрерывный |
19 |
43 |
3,3 |
|
1,6 |
|
0,04 |
|
10 |
7,5 |
|
(Голлан |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
дия) . |
|
15— 18 |
30—70 |
2 ,6 —4,0 |
|
1,4—2,0 |
|
0,04 |
50 |
|
15 |
у |
ГС-4 |
|
|
|
|
||||||||
6С17К |
» |
8 ,5 — 12 |
85 |
2 ,5 —4,5 |
|
1,3— 1,9 |
|
0,015 |
15 |
|
2 |
3 |
Некоторое представление об эксплуатационных и испытательных режимах можно получить из данных, приведенных в табл. 2.4.
|
|
|
|
|
Т аблиц а |
2.4 |
|
|
Эксплуатационные и испытательные режимы |
|
|||||
|
|
триодов СВЧ |
|
|
|
|
|
Тип трио |
Частота, |
|
Эксплуатационные |
Предельные ре |
|||
и о |
режимы |
|
жимы |
|
|||
да |
М гц |
|
/Л. ма |
|
V |
|
|
|
|
|
и а ' 0 | |
Ua , e |
ма |
||
12СЗС |
I 000 |
12,6+10% |
130 |
20 |
300 |
30 |
|
6С5Д |
3 370 |
6,3+10% |
250 |
8-Т-23 |
300 |
25 |
|
6С10Д |
2 780 |
6,3+10% |
3 700 |
8,5 а в |
4700 |
8,5 а в |
|
ЕС-56 |
4 000 |
6,3+2% |
200 |
импульсе |
300 |
импульсе |
|
30 |
35 |
|
|||||
6С13Д |
3 600 |
6,3+5% |
300 |
30 |
350 |
35 |
|
ГС-4 |
4 300 |
6,3+5% |
250 |
30 |
300 |
65 |
|
TBL2/250 |
400 |
|
|
|
2700 |
400 |
|
|
625 |
|
|
|
2 500 |
400 |
|
6CI7K |
940 |
6,3+5% |
175 |
5—10 |
2200 |
400 |
|
I 000 |
200 |
11 |
|
||||
ГС-1Б |
12,6 |
1 700 |
700 |
|
|
|
|
ГС-ЗБ |
500 |
12,6 |
1600 |
•600 |
|
|
|
1 000 |
26,0 |
1800 |
1900 |
|
|
|
|
(тетрод) |
500 |
26,0 |
2 000 |
1 600 |
|
|
|
За последние годы большое внимание уделяется по вышению устойчивости ламп к механическим и темпера турным воздействиям. В этом отношении наиболее устойчивыми являются металло-керамические триоды и тетроды. Так, например, тетрод типа Z-5192, рассчитан ный на частоту 1000 Мгц и уровень выходной мощности 20 вт, выдерживает удары 400 g, ускорение 30 g в диа
пазоне частот вибрации |
от 50 до 1000 гц и температуру |
. окружающей среды до |
+175° С [11]. Металло-керамиче |
ские лампы типа 7650 и 7651, предназначенные для ра боты в управляемых снарядах в качестве генераторов и усилителей на частоте 1215 Мгц в непрерывном режиме с выходной мощностью 450 вт и в импульсном режиме 39 кет, выдерживают механические перегрузки до 20 g в диапазоне частот вибраций от 20 до 2000 гц и ударные -нагрузки до 400 g[ 12].
4-124 |
49 |
Отечественными предприятиями и зарубежными фир мами выпускаются металло-керамические лампы, обла дающие высокой надежностью, малым разбросом пара метров, повышенной механической и температурной стойкостью и имеющие срок службы до 1000 и более часов [13, 14].
Рассматривая конкретные случаи выбора типа гене ратора для радиотехнических устройств, необходимо бо лее детально представить достоинства и недостатки трнодных и тетродных генераторов СВЧ, обратив особое внимание на работу этих генераторов в широком диапа зоне частот и специфику их эксплуатации.
Достоинства триодных и тетродных генераторов по сравнению с другими типами генераторов СВЧ опреде ляются:
—сравнительно низковольтными питающими напря жениями невысокой стабильности;
—меньшей зависимостью частоты генерируемых ко лебаний и отдаваемой мощности от изменения питаю
щих напряжений и сопротивления ВЧ нагрузки по сравнению с клистронными и магнетронными генерато рами;
—возможностью смены ламп в генераторе при вы ходе их из строя, что дает существенный экономический эффект;
—достаточно высоким коэффициентом полезного действия;
—сравнительной простотой осуществления ампли тудной модуляции;
—возможностью создания генераторов с механиче ской перестройкой частоты в широком диапазоне частот
скоэффициентом перекрытия до 1: 2—1: 3.
Недостатки триодных и тетродных генераторов СВЧ обусловливаются:
— сложностью конструкции контуров и необходи мостью введения нескольких органов регулировок для настройки генератора (регулировки анодно-сеточного и катодно-сеточного контуров, обратной связи, вывода энергии);
— недопустимостью, точнее сказать, трудностью осу ществления электронной перестройки частоты, что за трудняет создание генераторов с частотной модуляцией и быстрой перестройкой частоты;
50
—резким снижением коэффициента полезного дей ствия при приближении к предельной частоте триода;
—наличием «провалов» мощности при создании пе рестраиваемых генераторов в широком диапазоне ча стот, связанных с паразитными резонансами сложных конструктивных элементов контуров и органов регули ровок.
На рис. 2.8 показаны упрощенное конструктивное выполнение контура генератора на металло-керамиче ской лампе ГИ-12 Б и его эквивалентная схема. Подоб ный генератор, как видно'из рисунка, достаточно сло жен, имеет несколько органов регулировок для на стройки частоты, обратной связи и связи контура с ВЧ выводом энергии.
На лампах по типу ГИ-12Б, ГИ-11Б и ГИ-СБ в 1946—1947 гг. фирмой Lorenz была разработана серия мощных широкодиапазонных генераторов типа ЛМС, ко торые продолжительное время использовались в практи ке измерительных лабораторий, несмотря на свою гро моздкость и необходимость измерения выходного уровня мощности. В этих генераторах используются схемы с общей заземленной сеткой, что обеспечивает непло хое разделение сеточного и анодного контуров и устра няет вредную связь между ними. Анодно-сеточные и се точно-катодные контуры имеют синхронную настройку, обеспечивающую достаточно высокий к.п.д. генераторов при оптимальной обратной связи во всем частотном диа пазоне.
Типичные графики зависимости выходной мощности от частоты для генераторов ЛМС показаны на р-ис. 2.9. Из этих графиков видно, что лишь в длинноволновой части дециметрового диапазона волн удается создать генератор с постоянным уровнем выходной мощности ЛМС-551 и ЛМС-541. а в коротковолновой части деци метрового диапазона имеют место большие изменения мощности при перестройке частоты.
Изменение мощности триодного и тетродного гене раторов может быть достигнуто путем изменения на пряжения или тока анода, что используется для коррек тировки выходного уровня мощности генераторов (рис. 2.10).
Следует отметить, что создание широкодиапазонных перестраиваемых триодных генераторов представляет
4* |
51 |