13. 3. Мощные аг свч

О

Рис. 13. 10

сновным мощным электровакуумным АГ в настоящее время является магнетрон, конструкция которого представлена на рис. 13. 10. Он используется в качестве источника СВЧ колебаний в импульсных радиолокационных станциях и СВЧ нагревательных установках. Основой конструкции является анодный блок, представляющий круглую медную пластину толщиной порядка сантиметров, в которой просверлены цилиндрические отверстия (резонаторы), связанные с центральной областью, в которой находится катод, отверстиями связи. Вдоль оси катода прикладывается магнитное поле, создаваемое постоянным магнитом. Катод находится под большим отрицательным потенциалом по отношению к заземленному катоду. Если бы магнитное поле отсутствовало, поток электронов двигался по радиусу структуры к аноду. При наличии поля электроны перемещаются к аноду по спиральной траектории, пролетая мимо отверстий связи и возбуждая электромагнитное поле в резонаторах. Электронный поток вносит отрицательное сопротивление в резонаторы, благодаря чему происходят автоколебания как в любом «негатронном» АГ. Частота колебаний определяется размерами резонаторов.

14. Усилители мощности свч

Усилители мощности (УМ) различают по классам работы, которые определяются так называемым «углом отсечки» ( ) - половиной относительного (по отношению к периоду колебания гармонического сигнала) времени, в течение которого выходной ток АЭ (анодный, коллекторный, стоковый) равен нулю. Значение измеряется в градусах или радианах.

1. Класс А: . Это значит, что выходной ток не обращается в ноль.

2. Класс АВ: . Выходной ток равен нулю в течение меньшей части половины периода.

3. Класс В: . Выходной ток равен нулю в течение половины периода.

4. Класс С: . Выходной ток равен нулю в течение времени больше половины периода (класс С включает в себя классы D и Е для которых пропорционально уменьшается).

Использование отсечки позволяет увеличить коэффициент полезного действия (КПД) УМ, , где выходная мощность на первой гармонике усиливаемого сигнала, мощность, подводимая к УМ от источника питания.

Расчет УМ с учетом угла отсечки по линеаризованным входным ВАХ АЭ был предложен профессором ЛЭТИ (позже академиком АН СССР) А. И. Бергом в первой половине ХХ века. Опыт автора по моделированию УМ показывает достаточно высокую точность расчета (расхождение между расчетными и моделированными значениями мощностей, токов и напряжений не превосходит 10%). Если доступна достаточно точная модель АЭ (обычно в формате SPICE) то при расчете УМ СВЧ достаточно учесть индуктивности и емкости корпуса АЭ, внутри которого находится кристалл АЭ, так как модель описывает параметры кристалла, без учета параметров схемы корпуса. По методике А. И. Берга в выходной цепи АЭ ток имеет вид косинусоидальных импульсов с максимальным значением, равным и относительной шириной при токе, стремящемся к нулю, равной . Разложив импульс в ряд Фуре можно получить значения амплитуд гармонических составляющих:

Для расчета УМ необходимо знать: выходную мощность по первой гармонике , выбрать класс усиления и , выбрать тип АЭ, напряжение питания , оконечное сопротивление нагрузки.

АЭ выбирается исходя из значения верхней частоты рабочего диапазона, допустимой мощности рассеяния ( ). Определим выходную мощность . Здесь амплитуда тока первой гармоники на выходе УМ, амплитуда напряжения первой гармоники на выходе УМ. Примем , где , значение напряжения для выходной ВАХ АЭ, при котором происходит резкий изгиб кривой ВАХ. Обычно . Тогда . Зная определим , далее

. Тогда подводимая мощность . КПД , мощность рассеивания . Определим теперь сопротивление нагрузки УМ . Часто УМ делают в виде двухтактного каскада. При этом удобно выбрать , так как при таком угле отсечки все нечетные гармоники порядка выше первого обращаются в ноль, а четные обращаются в ноль благодаря двухтактной схеме. В этом случае отношение , , , .

В настоящее время, при наличии мощных программных средств моделирования, достаточно сделать предварительный расчет проектируемого устройства, а затем, в процессе моделирования, реализовать его заданные параметры. Следует отметить, что рассмотренный метод не учитывает, того, что некоторые параметры АЭ (входное и выходное сопротивления, переходные проводимости) являются комплексными числами. При пользовании методом Берга, с помощью соответствующих согласующих цепей необходимо сначала компенсировать реактивные компоненты сопротивлений и проводимостей в заданном диапазоне частот. Для входных и выходных сопротивлений такими компонентами являются емкости, образуемые PN переходами для биполярных транзисторов и емкостями затвор-исток и сток-исток для МОП-транзисторов. Схемы для согласования таких нагрузок рассмотрены ниже.

Можно также рекомендовать, в качестве предварительного расчета воспользоваться методом, изложенным в разделе 8 (линейные усилители СВЧ), а затем, в процессе моделирования, перевести УМ в нелинейный режим и добиться заданных его параметров. Для этого в справочных листках даже на мощные АЭ приводятся таблицы элементов МР в широком диапазоне частот.