Большая Советская энциклопедия (ГЕ) - БСЭ

  Мощность, подводимая от источника питания, расходуется не только на поддержание колебаний в контуре, но и на разогрев анода лампы электронами, бомбардирующими его при протекании анодного тока. Это обстоятельство ограничивает кпд ламповых генераторов, который может всё же достигать 70—75%.

  Управление электронной лампой с помощью цепи обратной связи может осуществляться различными способами. Наряду с индуктивной обратной связью (рис. 1) возможна также ёмкостная обратная связь (рис. 2, а) или автотрансформаторная обратная связь (рис. 2, б).

  В схемах ламповых генераторов часто применяются т. н. параллельное питание анодной цепи (рис. 2, а, б) и автоматическое смещение сетки, создаваемое сеточным током ic. Ток ic создаёт постоянное напряжение на управляющей сетке лампы, смещающее рабочую точку анодно-сеточной характеристики в область отрицательных значений, что необходимо для получения высокого кпд (рис. 3).

  Мощность ламповых генераторов — от долей вт (в измерительных и калибровочных устройствах) до десятков и сотен квт; область генерируемых частот — от десятков кгц до Ггц. Верхняя частотная граница связана, во-первых, с наличием у ламп «паразитных» ёмкостей (сетка — анод и др.), с конечным временем пролёта электронов от катода к аноду, а также с некоторыми др. факторами (см. Электронная лампа). Нижняя частотная граница обусловлена малой добротностью колебательных контуров с низкими собственными частотами.

  Транзисторный генератор. Другим примером генератора почти гармонических колебаний является генератор на полупроводниковом триоде (транзисторный генератор). Здесь, так же как и в ламповом генераторе, имеется источник питания, добротный колебательный контур, а активный элемент представляет собой сочетание полупроводникового триода и цепь обратной связи. В полупроводниковых триодах (транзисторах) имеет место усиление мощности колебаний, подводимых к управляющему электроду (например, к базе), и это позволяет, так же как и в случае электронных ламп, с помощью цепи обратной связи осуществить подкачку колебательной энергии в контур для его возбуждения и поддержания режима стационарных (незатухающих) колебаний. Существуют различные схемы транзисторных генераторов. Три варианта полупроводниковых генераторов, использующих включение транзистора по схеме с общим эмиттером, показаны на рис. 4, а, б, в.

  Транзисторные генераторы генерируют колебания с частотой от нескольких кгц до 1010 Ггц с мощностями от десятых долей мвт до сотен вт. Как и в ламповом генераторе, здесь при высокой добротности контура форма колебаний близка к гармонической, а частота определяется собственной частотой колебаний контура с учётом «паразитных» ёмкостей транзистора.

  Отрицательное дифференциальное сопротивление. Возникновение в контуре незатухающих колебаний можно рассматривать как результат внесения в него некоторого «отрицательного» сопротивления, компенсирующего положительное активное сопротивление. В ламповом генераторе это отрицательное сопротивление создаётся лампой в сочетании с цепью обратной связи и источником питания. В отрицательного сопротивлении увеличение тока должно соответствовать уменьшению падения напряжения:

 

  (в обычных сопротивлениях

 

  Эффект появления отрицательного дифференциального сопротивления возникает лишь при использовании усилительных свойств лампы или транзистора за счёт положительной обратной связи.

  Однако существуют приборы, в которых вольтамперная характеристика при определённых условиях имеет падающий участок. Это соответствует тому, что в некоторой области значений U и I имеет место отрицательное дифференциальное сопротивление

 

(рис. 5), позволяющее использовать подобные приборы для Г. э. к. Например, в пентодах зависимость тока экранирующей сетки iэ от напряжения на антидинатронной сетке Uэ имеет падающий участок (рис. 6, а). Возникновение отрицательного сопротивления позволяет создать генератор, называют транзитронным (рис. 6, б). В транзитронном генераторе колебания в контуре LC поддерживаются также за счёт отрицательного сопротивления, вносимого в контур действием тока экранирующей сетки лампы, управляемого напряжением на третьей антидинатронной сетке.

  Для создания отрицательного сопротивления можно использовать электрический разряд в газах, вольтамперная характеристика которого имеет падающий участок. Например, в определённых режимах дугового разряда с увеличением тока I возрастает температура дуги, увеличивается количество ионов в разрядном промежутке и за счёт этого сопротивление промежутка падает, что приводит к уменьшению падения напряжения между электродами U. Это свойство дугового разряда использовалось в дуговых генераторах высокой частоты, применявшихся до появления ламповых генераторов (рис. 7, а, б).

  Подобным же образом может быть использована падающая характеристика туннельного диода ТД (рис. 8, а). Если рабочая точка на характеристике диода находится на падающем участке его характеристики, то это соответствует введению в колебат. контур отрицательного сопротивления.

  Если колебательный контур обладает высокой добротностью, то генерируемые колебания по форме близки к гармоническим и их частота определяется собственной частотой контура с учётом дополнительной ёмкости диода (подключенного параллельно основной ёмкости С, рис. 8).

  Амплитуда установившихся колебаний будет определяться условием, чтобы средний наклон рабочего участка характеристики (с учётом захода колебаний за пределы наиболее крутого участка падающей характеристики) обеспечивал бы полную компенсацию потерь на активном сопротивлении контура, включая и полную нагрузку генератора Rполн. При этом Roтрицат. = Rполн.

  Генераторы с ТД могут генерировать колебания вплоть до частот 100 Ггц, но с весьма малой мощностью — порядка долей мквт. На дециметровых и сантиметровых волнах мощность таких генераторов может достигать нескольких мвт. Они, будучи чрезвычайно компактными и экономичными, наиболее успешно применяются в качестве гетеродинов в радиоприёмниках СВЧ диапазона. Полупроводниковые генераторы (как и ламповые) не могут генерировать очень высокие частоты (в области сантиметровых и более коротких волн). В этой области частот используются, как правило, устройства с объёмными резонаторами (вместо контуров).

  Большинство приведённых ранее понятий (активный элемент, пассивные цепи, отрицательное сопротивление и др.) в полной мере применимо лишь к устройствам, состоящим из сосредоточенных элементов (лампа, сопротивление, конденсатор, катушка индуктивности и т. д.), размеры которых много меньше длины волны l. Продвижение в область СВЧ привело к созданию генераторов, представляющих собой системы с распределёнными параметрами. В этих устройствах для Г. э. к. используются различные явления, возникающие в электронных потоках в вакууме, в плазме или при прохождении тока через некоторые твёрдые тела, например полупроводники. В этих случаях не всегда применимо само понятие электрической цепи и невозможно выделять раздельно пассивные цепи и активный элемент.

  Магнетронный генератор. В магнетронном генераторе колебания СВЧ возбуждаются в системе объёмных резонаторов (полости с проводящими стенками). Резонаторы расположены по окружностям массивного анода и их собственная частота (определяется диаметром полости и шириной щели, соединяющей каждую полость с общим пространством, в центре которого расположен катод (рис. 9). Магнитное поле, искривляя траектории электронов, движущихся от катода К к аноду А, формирует общий электронный поток, пролетающий последовательно вдоль щелей резонаторов. Магнитное поле подбирается таким, чтобы большинство электронов двигалось по траекториям, почти касающимся щелей. Т. к. в резонаторах за счёт случайных токов неизбежно возникают слабые электрические колебания, то около щелей существуют слабые переменные электрические поля Е. Пролетая в этих полях, электроны в зависимости от их направления относительно поля Е либо ускоряются, отбирая энергию у резонатора, либо тормозятся, отдавая часть энергии резонаторам. Электроны, ускоренные полем первого же резонатора, возвращаются на катод. Заторможенные (рабочие) электроны попадают в поле следующих резонаторов, где они также будут тормозиться, если попадают туда в «тормозящие» полупериоды электромагнитного поля. Путём соответствующего подбора скорости электронов (анодного напряжения Ua и магнитного поля Н) можно добиться того, чтобы электроны больше отдавали энергии резонаторам, чем забирали у них. Тогда колебания в резонаторах будут нарастать. Нелинейность характеристик магнетрона обеспечивает установление постоянной амплитуды генерируемых колебаний. Отбор энергии может производиться из любого резонатора с помощью петли связи П.