Приборы СВЧ и ОД

2.1 Работа триода на СВЧ

Анализ влияния времени пролета электронов существенно зависит от соотношения амплитуды переменных и постоянных напряжений на электродах. Если амплитуда много меньше постоянного напряжения, говорят о режиме малых амплитуд. Когда обе величины сравнимы, имеет место режим больших амплитуд.

В режиме малых амплитуд можно считать, что время пролета электронов практически определяется постоянными напряжениями на электродах, а пространственный заряд в области сетка – катод такой же, как в статическом режиме. Это позволяет создать сравнительно простую теорию электронных ламп СВЧ в режиме малых амплитуд.

Теоретическое рассмотрение схемы с общим катодом позволило сделать вывод, что влияние угла пролета электронов между электродами можно учесть введением комплексной крутизны лампы и активной входной проводимости. При этом модуль комплексной крутизны равен отношению амплитуды переменного тока в анодной цепи к амплитуде переменного напряжения на сетке, а ее фазовый угол показывает отставание анодного тока от сеточного напряжения. С ростом угла пролета, вызванного увеличением частоты или расстояния между электродами, фазовый сдвиг растет, а модуль крутизны уменьшается.

Появление активной проводимости входной цепи связано с тем, что из-за существования наведенного тока в цепи сетки появляется составляющая сеточного тока, совпадающая по фазе с переменным сеточным напряжением. В схеме включения с общим катодом входная активная проводимость примерно пропорциональна квадрату частоты.

Для уменьшения угла пролета в режиме малых амплитуд необходимо увеличивать положительное напряжение на электродах и использовать лампы с малым расстоянием между электродами.

Режим малых амплитуд характерен для усилителей слабого сигнала и для генераторов, работающих с очень низким КПД. Режим больших амплитуд используется в мощных усилителях и генераторах. В настоящее время маломощные электронные лампы СВЧ почти полностью вытеснены полупроводниковыми приборами СВЧ, а мощные электронные лампы применяются на частотах до 1 – 2 ГГц. Поэтому далее пойдет речь только о режиме больших амплитуд, который будет рассмотрен на примере схемы включения триода, показанной на рис. 2.2.

Теоретический анализ влияния времени пролета в триоде в режиме больших амплитуд весьма сложен. Однако представление о происходящих процессах можно получить с помощью пространственно-временных диаграмм, изображенных на рис. 3a. На этом рисунке z – координата электрона, отсчитываемая от катода, а t – время. Каждая кривая показывает зависимость координаты тонкого электронного слоя от времени. Кривые соответствуют разным моментам вылета электронов из катода. Переменное напряжение с амплитудой U_с1 и постоянное напряжение смещения сетки Е_с<0 показаны внизу пространственно-временной Диаграммы. Мгновенное значение напряжения на сетке

Каждая кривая строится по результатам решения уравнения движения электронов в лампе. Тангенс угла наклона касательной в любой точке пространственно-временной диаграммы определяет скорость электрона, необходимую для расчета наведенного тока.

Будем считать, что управляющая сетка настолько густа, что анод с потенциалом U_a не вызывает появления электрического поля в пространстве сетка - катод. Тогда движение электронов в этом пространстве будет определяться только напряжением на сетке Суммарное напряжение на сетке u_c(t) проходит через нулевое значение (рис. 2.2, б) в моменты t₀ и t₃. Предположим, что лампа отпирается при суммарном напряжении U_c1>0, т. е. ток эмиссии существует в интервале времени t₃— t₀. Электрон, вылетевший из катода в момент времени t₀ , будет двигаться к сетке в ускоряющем электрическом поле (u_c> 0). И его скорость по мере приближения к сетке будет возрастать. В некоторый момент времени t₁ первый электрон достигает сетки и входит в пространство сетка - анод, где имеется ускоряющее поле, так как напряжение на аноде U_a положительно и велико. Первый электрон попадает на анод в момент времени t₂.

На анод будут попадать также те из последующих электронов, вылетевшие из катода при положительном напряжении на сетке, которые подлетают к сетке с некоторой скоростью. Уменьшение скорости происходит вследствие уменьшения напряжения на сетке и изменения его знака после момента времени t₃. Электрон, подошедший к сетке в момент времени t₄ с нулевой скоростью (υ=dz/dt=0), начнет обратное движение к катоду, потенциал которого теперь выше потенциала сетки.

В момент времени t₅ (рис. 2.2, б) на анод пришел последний электрон. Этот электрон прошел сетку в момент времени t₄, позже которого электроны возвращаются к катоду. Таким образом, не все электроны, начавшие движение при положительном напряжении на сетке (u_c>0), долетают до анода, часть их возвращается на катод. Чем больше время пролета электронов от катода до сетки (больше расстояние сетка – катод), тем больше электронов возвращается на катод.

С помощью пространственно-временной диаграммы, рассчитанной для большого числа электронов, отличающихся моментом вылета из катода, можно в любом- сечении лампы в любой момент времени определить число и скорость электронов, а следовательно, и конвекционный ток. Затем по (2.12) можно вычислить наведенный ток во внешней цепи электрода.

Как только первый электрон начинает в момент времени t₀ движение от катода к сетке, во внешней цепи промежутка катод – сетка появляется наведенный ток i_к.с.нав, текущий в этой цепи от катода к сетке (см. рис. 2.2). Ток i_к.с.нав (см. рис. 3б) возрастает по мере .увеличения числа электронов в промежутке и достигает максимального значения. Последующее убывание тока связано с уменьшением скорости электронов, а затем с изменением ее направления. Электроны, начинающие движение к катоду, создают наведенный ток другого направления (от сетки к катоду во внешней цепи). В некоторый момент времени результирующий наведенный'' ток равен нулю, а затем меняет направление из-за возвращения электронов к катоду.

Аналогично наведенный ток i_к.с.нав во внешней цепи промежутка сетка – анод появляется, когда электроны начинают поступать в этот промежуток через сетку. Этот ток растет, достигает максимального значения, убывает и обращается в нуль, когда последний электрон промежутка сетка – анод достигает анода в момент времени t₅.

Проведенное приближенное рассмотрение показывает, что, если время пролета электронов сравнимо с периодом переменного напряжения, наведенный ток становится несимметричным по форме и имеет отрицательный выброс. Импульс наведенного тока в цепи анода не повторяет формы сеточного напряжения, а “затягивается” на значительную часть периода переменного напряжения, что вызывает уменьшение амплитуды первой гармоники анодного тока. Последнее приводит к снижению полезной мощности в нагрузке на частоте приложенного сигнала или на частоте генерируемых колебаний, если лампа используется в схеме генератора.

Зная наведенные токи i_к.с.нав и i_с.а.нав, можно, используя рис. 2, определить наведенные токи электронов: анодный , катодный и сеточный . Наведенный ток сетки i_с.нав, равный сумме двух наведенных токов, текущих в сеточной цепи в противоположных направлениях, меняет свой знак в некоторый момент времени, когда токи i_с.а.нав и i_с.а.нав равны.

В тетроде на экранирующую сетку, расположенную между управляющей сеткой и анодом, подается положительное напряжение, сравнимое с анодным. Поэтому электроны, прошедшие через управляющую сетку, ускоряются в промежутке между сетками, и полное время пролета от управляющей сетки до анода уменьшается. Импульс анодного тока при этом менее растянут, а электронный КПД выше, чем в триоде.

назад | оглавление | вперёд