Главная  Электронные квантовые приборы СВЧ 

1 [ 2 ] 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

Кроме того, возникают обратные связи через общие индуктивности и емкости ламиы. В широко распространенной на низких частотах схеме включения триода с общим катодом*) существует обратная связь между сеточной и анодной цепью лампы через индуктивность катодного ввода L .

Так как катодный ввод лампы входит в цепь управляющей сетки, то эта индуктивность влияет также на величину активной входной проводимости лампы. Напряжение на Z. действует во входной цепи лампы, вызывая дополнительные потери мощности. Это равносильно появлению активной составляющей входной проводимости лампы

(2.1)

где S - крутизна лампы.

Активная проводимость растет пропорционально квадрату частоты.

Одним из возможных путей создания ламп для более высоких частот является уменьшение внутриламповых индуктивностей и емкостей. Если все линейные размеры лампы уменьшить в п раз, то междуэлектродная емкость также уменьшится в п раз. Индуктивность вводов миниатюрной лампы тоже будет меньше. Так были разработаны миниатюрные лам1пы типа желудь .

Междуэлектродные емкости состоят из емкостей между самими электродами и емкостей между их вводами. При конструировании ламп стремятся максимально увеличить расстояние между вводами, чтобы уменьшить емкость между ними. Междуэлектродные емкости можно уменьшить, увелич1ивая расстояния между электродами или уменьшая их размеры. Увеличение расстояния между электродами увеличивает угол пролета электронов, что ухудшает параметры ламп. Поэтому междуэлектродные емкости уменьшают, только применяя миниатюрные электроды. Предел уменьшения их размеров определяется значениями выходной .мощности и эмиссионной способностью катода.

Характеристическое сопротивление колебательной системы генератора из-за сравнительно большого значения междуэлектродных емкостей получается достаточно малым, отсюда малое значение эквивалентного сопротивления колебательной системы генератора, что неизбежно снижает его мощность и кпд. В качестве колебательных систем триодов и тетродов свч используют коаксиальные или полые резонаторы, свободные от большинства указанных выше недостатков. Вводы электродов ламп имеют при этом вид дисков или полых цилиндров, непосредственно соединенных со стенками полого резонатора. Индуктивность вводов практически устраняется, так как электроды ламп являются частью стенок резонаторов. Рассмотрим рис. 2.2. Сетка и катод лампы имеют дисковые выводы. Применение полых резонаторов позволило повы-

) Общим электродом в усилительной лампе называют тот электрод, к кото рому подключены как входная, так и выходная цепи.

сить предельную частоту примерно на порядок в сравнении с триодами прежних типов, использовавшими открытые колебательные контуры.

§ 2.2. ВЛИЯНИЕ ИНЕРЦИИ ЭЛЕКТРОНОВ

Ухудшение характеристик ламп с электростатическим управлением на свч объясняется не только свойствами колебательной цепи, но и влиянием угла пролета электронов.

Время пролета электрона в лампе определяется расстоянием между электродами и действующими на них напряжениями. Так как невозможно безгранично уменьшать расстояние между электродами или увеличивать действующие напряжения, то при определенных частотах период генерируемых или усиливаемых колебаний становится сравнимым с временем пролета электронов. С этого момента электронная лампа не может уже рассматриваться как безынерционный прибор, что справедливо на низких частотах.

Наибольшее влияние на свойство лампы на свч оказывает время пролета междуэлектродного промежутка катод-управляющая сетка, так как время пролета от управляющей сетки до анода или экранирующей сетки обычно бывает значительно меньше вследствие действия высоких напряжений анода или экранирующей сетки, которые значительно больше, чем напряжение на сетке.

Работа триодов и тетродов на свч характеризуется двумя режимами: малых и больших амплитуд. Первый характеризуется тем, что амплитуды переменных составляющих напряжений, подаваемых на электроды лампы, весьма малы по сравнению с постоянны ми составляющими этих напряжений. Во втором переменное поле преобладает над постоянным и смещением на сетке можно пренебречь по сравнению с амплитудой переменного управляющего напряжения. Время пролета электронами междуэлектродного пространства шириной d

т = dlVg

(2.2)

где Ve - скорость электронов, определяемая ур-нием (1.11)-

Будем рассматривать триод как последовательное включение двух плоских зазоров. Оба зазора пронизываются одним и тем же потоком электронов, двигающихся от катода к аноду. Свойства триода характеризуются углами пролета зазоров: катод-сетка вкс и сетка-анод бса-

Определим вкс и бса в режиме малых амплитуд. Для- вычисления бса необходимо в (1.11) подставить значение постоянного напряжения на аноде по отношению к катоду. Тогда

(2.3)

Угол пролета катод-заряда

eca=fi>d,.l/2m/e(;,. сетка без учета влияния пространственного

екс = йксК2т/е(У.

(2.4)

где и - действующее постоянное напряжение в плоскости сетки.



Значительно сложнее определить время пролета в режиме больших амплитуд. Так как к электродам лампы приложены большие переменные напряжения, то время пролета различных электронов будет неодинаковым и определится мгновенными значениями напряжений. В этом случае для определения влияния инерции электронов на работу лампы пользуются так называемым фиктивным временем пролета или фиктивным углом пролета. Фиктивным временем пролета называют время пролета электронами меж- дуэлектродного пространства шириной d. когда на электроды поданы постоянные напряжения, равные амплитудным значениям реально существующих пере.менных напряжений.

Фиктивный угол пролета промежутка сетка-катод

0скФ = й„сК2т/е^/ ,

(2.5)

где Um - амплитуда переменного напряжения на сетке.

За счет инерции электронов в триоде появляется сеточный ток даже в том случае, когда напряжение на сетке отрицательно и ни один из электронов на сетке не задерживается. Лампа начина-ч!т потреблять на входе высокочастотную мощность, хотя на низких частотах при отрицательном напряжении на сетке потреблением мощности всегда можно пренебречь.

Раосмотрим влияние угла пролета электронов в триоде на потребление мощности в сеточной цепи. Сетка находится под отрицательным потенциалом по отношению к катоду и на нее подано малое управляющее переменное напряжение Uc. Триод включен по схеме с общим катодом. На низких частотах величина конвекционного тока на участке катод-сетка и на участке сетка- анод одинакова, так как на отрицательно заряженную сетку электроны не оседают и все попадают на анод. Вследствие этого ток, наводимый на управляющей сетке приближающимися к ней электронами, равен по величине и противоположен по знаку току, наводимому электронами, движущимися от сетки к аноду. В цепи сетки эти токи взаимно компенсируются, активная составляющая входной проводимости лампы равна нулю и во входной цепи течет только реактивный ток, обусловленный емкостью сетка-катод.

Совсем иначе на свч. В сеточном токе появляется активная составляющая, так как наведенные токи не компенсируют друг друга. На векторной диаграмм*, (рис. 2.3) представлены вектор переменного напряжения на сетке Uc и векторы наведенного тока и /с2. Ток наводимый конвекционным током между катодом и сеткой, запаздывает относительно сеточного напряжения Uc на угол ф|. Величина угла ср. зависит от времени

hILm апед:: токоГв Роета электронами пространства ка-

тод-сетка, причем 0<ф|<6кс- Электрон-- 22 -


,1Й поток, идущий от катода к сетке, можно разделить условно \а ряд элементарных слоев, и тогда наведенный ток рассматривать как геометрическую сумму токов, наводимых отдельными слоями. Гак как фаза тока в слоях постепенно меняется при движении от катода к сетке от О до бкс. фаза результирующего тока будет от-1ична от нуля, но меньше бкс-

Электроны, пролетевшие сквозь сетку, летят к аноду с боль-шой скоростью (UaUc), И поэтому .МОЖНО считать, что фаза конвекционного тока во всех сечениях приблиз|ительно одинако-ча и равна фазе у сетки. Следовательно, ток 1с2. наводимый в-сеточной цепи конвекционным током в промежутке сетка-анод,. отстает от U\c на угол (р2=6к,с. Так как токи /ci и 1с2 п(рОтиво-положны по направлению, то результирующий ток сетки равен их. векто!рнюй разности. На векторной диаграмме этот ток иао-бражен iB виде вектора /с, который опережает надряжение Uc а угол 1ф'=90°-<р. Ток /с, как видно из диаграммы, имеет активную и реактивную составляющие. Активная составляющая /с обусловлена инерцией электронов, она снижает входное со-

- противление лампы:

Если углы пролета бкс и вса малы, то можно приближенно . считать, что sin ф ф.

iBlqe введенные нами при построении векторной диаграммы

- углы Цропорциональны углу пролета, так что ф г kSac, где fej - коэффициент пропорциональности. Тогда Г с = iBkc/c- Величина, наведенного тока также пропорциональна углу пролета, как видно из диаграммы на рис. 2.3. Чем больше угол пролета, тем больше /с. Кроме того, ток /с зависит еще от крутизны триода S по управляющей сетке и от напряжения Uc. Следовательно, можно записать, что

/е = we .

Тогда активная составляющая наведенного сеточного тока I = k,k,SUM (2.6)

и активная составляющая входной проводимости сетка-катод

(2.7>

цепи сетки триода

щсетки и лампа теряет свое основное достоинство, а именно, спо-собность управлять анодным током без затрат или с очень малыми затратами мощности.

Энергия потерь выделяется не в самой сеточной цепи, а пе-

4редается электронам лампы и в конечном счете рассеивается на) аноде. Активная проводимость за счет инерции электронов (2.7) та1К-же, как и активная проводимость за счет индуктивности катод-

- 23 -



<нюпо вода (2Л), возрастает с повышением частоты. Чем больше угол пролета, тем больше величина проводимости .

Полная активная проводимость равна сумме (2.7) и (2.1),

g.. =вх, + gBxZ. = [kS + L,5C ]. (2.8)

Следоватьно. .полное актиаиое входное сопротивление <вх-l/gsx обратно пропорционально или прямо прюпо:рцио-нально квадрату длины волны. Поэтому можем записать

вх = aS (2.9)

где а - коэффициент, который зависит от рабочего .режима и конструкции лампы. Пределы изменения а от 0;1 до 3 кОм/м

.nnJ ?! Р^*И больших амплитуд очень

сложен. Поэтому рассмотрим рис. 2.4а. По вертикальной оси отложено расстояние от катода в направлении к аноду, а по горизонтальной - время Каждая

Длительность импульса I навев. тона *i Ылительност импуль \са нонв.тот]


кривая соответствует одиночному электрону, вылетевшему из катода в определенный момент времени / . Тангенс угла наклона касательной к любой точке кривой иа простраяственно-временнбй диаграмме пропорционален скорости движения электрона в данной точке. Ток /ск, протекающий в пространстве сетка-катод, обычно называется суммарным током, а ток /са, протекающий в пространстве анод-сетка, - анодным током. Кроме суммарного и анодного токов, определим еще л сеточный ток 1 = 1 ск- -/с а- Будем приближенно полагать, что проницаемость лампы D=0, допуская тем самым, что сетка полностью экранируе! анод от катода. Тогда можно считать, что электроны, летящие между сеткой н катодом, наводят только суммарный ток 1ск, а электроны, летящие между сеткой и анодом, наводят только анодный ток /са-

На рис. 2.46, в приведены графики указанных токов триода. Если лампа заперта отрицательным напряжением смещения на сетке ее, электрон-Рис. 2.4. Движение электронов

в триоде: а) оространственно-временная диаграмма; б), в), г) качественный шид кривых тока; д) взаимная фазировка первы.х гармоник тока

Вый ток paiBCH нулю. К сетке приложено также переменное синусоидальное на-

Гпряжение. В MOMeHT времени to электроны начинают движение от катода к сетке.

Щ Первый электрон, покинувший катод в момент временя to, все время летит в ускоряющем поле, и его скорость по мере приближения к аноду возрастает. В данном случае угол пролета мал, и поэтому данный электрон проходит сетку при

и положительном напряжении на ней.

Щ Электроны, покидающие катод несколько позднее первого электрона, будут иметь меньшие скорости из-за тормозящего действия поля объемного заряда, об-J разованного электронами, вышедшими ранее. Электроны, которые успеют проле-I тать сетку до момента времени <з, когда иапряжение на сетке снова станет отрицательным, будут продолжать свое движение к аноду. Электроны, не успевшие к мсменту времени /з пролететь сетку, будут возвращаться обратно на катод.

tПосле того как напряжение на сетке вновь станет отрицательным, электроны некоторое время будут по инерции продолжать свое движение к сетке. Однако скорость этого движения быстро уменьшается, становится равной нулю, а затем электроны движутся к катоду. Чем выше частота, тем больше угол пролета и , тем Сольше электронов возвращается на катод. Из рис. 2.4а видно, что лишь часть электронов, вылетевших с катода в течение положительного полупернода напряжения на сетке, достигает ее плоскости. Отрицательное поле сетки возвращает на катод электроны, которые отдают ему свою кинетическую энергию (явление электронной бомбардировки катода), что в некоторых случаях приводит к значительному разогреву катода.

Анализируя рис. 2.4, можно качественно оценить зависимости токов в лампе. Наведенный суммарный ток /ск возникает в тот момент, когда первый электрон покидает катод н вступает в промежуток сетка-катод. Первый электрон начинает свое движение, когда управляющее напряжение на сетке из тормозя-

щего становится ускоряющим н подходит к сетке в момент ti со значительной скоростью. Ток /ск возрастает н приобретает максимальное значение при достижении сетки первыми электронами в момент времени tt. Затем суммарный ток /сн уменьшается, так как уменьшается скорость электронов в силу электростатического отталкивания ранее вышедшими из катода электронами, а наведенный ток, как нам известно (§ 1.2), зависит от скорости перемещения заряда. Кроме того, часть э.!]ектронов не достигает сетки, а возвращается к катоду и наводит в цепи ток противопо.!]ожного знака, вследствие чего ток /ск также уменьшается. - В момент времени, когда прямой и обратный токи окажутся равными, суммар- ный ток обращается в нуль. Далее преобладает составляющая обратного тока. * Когда промежуток сетка-катод освобождается от электронов, /ск становится равным нулю.

Ш Анодный ток /са появится только после того, как первые электроны проле-В^тят сетку и попадут в пространство сетка-анод. Анодный ток быстро увеличи- вается, достигая максимального значения, а затем убывает и, когда последний электрон попадет на анод, обращается в нуль.

ГСеточный ток можно определить, как разность суммарного и анодного токов. Из рис. 2.4г видно, что сеточный ток имеет два импульса разной полярности. За счет инерции электронов импульсы суммарного и анодного токов запаздывают (смещаются вправо), и анодный ток смещен больше, чем суммарный. Вследствие того что время пролета электронов соизмеримо с периодом колебаний, а следовательно, и с длительностью импульса анодного тока, этот нм-J пульс значительно искажается и расширяется. Импульс становится неснмметрич-i ным и смещается относительно начала координат. Увеличивается задний фронт импульса (рис. 2.4в).

Расширение импульса уменьшает полезную мощность за счет уменьшения амплитуды первой гармоники тока.

Теоретический расчет показывает, что при значении фиктивного угла пролета вскф = 120° половина электронов, вышедших из катода, не достигает сетки и возвращается на катод. Остальные электроны поступают в промежуток сетка-анод при тормозящем высокочастотном поле и отдают свою энергию.

Современные свч триоды удовлетворительно работают при значениях фиктив-L ного уг.ча пролета, не превышающих 120°. Это значение угла пролета для трио- дов в'режиме больших амплитуд называют критическим.



1 [ 2 ] 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30