Генератори майже гармонійних коливань - Аналітичний огляд генераторів коливань

Якщо в генераторі з коливальними контурами втрати в контурі або резонаторі малі (висока добротність коливальної системи), то форма коливань у них близька до синусоїдальної і їх називають генераторами майже гармонійних коливань або томсонівськими генераторами.

Транзисторний Генератор. Прикладом генератора майже гармонійних коливань є генератор на напівпровідниковому тріоді - транзисторний генератор.

Тут, так само як і в ламповому генераторі, є джерело живлення, добротний коливальний контур, а активний елемент являє собою сполучення напівпровідникового тріода й контур зворотного зв'язка. У напівпровідникових тріодах (транзисторах) має місце посилення потужності коливань, які подаються до керуючого електрода (наприклад, до бази), і це дозволяє, так само як і у випадку електронних ламп, за допомогою контура зворотного зв'язка здійснити підкачування коливальної енергії в контур для його збудження й підтримки режиму стаціонарних (незатухаючих) коливань. Існують різні схеми транзисторних генераторів. Три варіанти напівпровідникових генераторів, що використають включення транзистора за схемою із спільним емітером, показані на рисунку 1.16.

    А) Б) В)
транзисторні генератори

Рисунок 1.16 - Транзисторні генератори

Транзисторні генератори генерують коливання із частотою від декількох кГц до 1010 ГГц із потужностями від десятих часток мВт до сотень Вт. Як і в ламповому генераторі, тут при високій добротності контуру форма коливань близька до гармонійної, а частота визначається власною частотою коливань контуру з врахуванням "паразитних" ємностей транзистора.

Магнетронний Генератор. У магнетронному генераторі коливання НВЧ збуджуються в системі об'ємних резонаторів (порожнини із провідними стінками). Резонатори розташовані по контуру масивного анода і їхня власна частота визначається діаметром порожнини й шириною щілини, що з'єднує кожну порожнину із загальним простором, у центрі якого розташований катод. Магнітне поле, викривляючи траєкторії електронів, що рухаються від катода К до аноду А (рис.1.17), формує загальний електронний потік, що пролітає послідовно уздовж щілин резонаторів.

магнетронний генератор коливань

Рисунок 1.17 - Магнетронний генератор коливань

Магнітне поле підбирається таким, щоб більшість електронів рухалося по траєкторіях, що майже стосуються щілин. Так як, у резонаторах за рахунок випадкових струмів неминуче виникають слабкі електричні коливання, то біля щілин існують слабкі змінні електричні поля Е. Пролітаючи в цих полях, електрони залежно від їхнього напрямку відносно поля Е або прискорюються, відбираючи енергію в резонатора, або гальмуються, віддаючи частину енергії резонаторам. Електрони, прискорені полем першого ж резонатора, вертаються на катод. Загальмовані ("робітники") електрони попадають у поле наступних резонаторів, де вони також будуть гальмуватися, якщо попадають туди в "гальмуючі" напівперіоди електромагнітного поля. Шляхом відповідного підбору швидкості електронів (анодної напруги і магнітного поля Н) можна домогтися того, щоб електрони більше віддавали енергії резонаторам, чим забирали в них. Тоді коливання в резонаторах будуть наростати. Нелінійність характеристик магнетрона забезпечує встановлення постійної амплітуди генерируємих коливань. Відбір енергії може вироблятися з будь-якого резонатора за допомогою петлі зв'язку П.

У магнетроні джерелом живлення є джерело анодної напруги, коливальною системою - резонатори. Роль активного елемента, що забезпечує перетворення постійної енергії в енергію електричних коливань, грає електронний потік, що перебуває під дією магнітного поля.

Магнетрони генерують гармонійні коливання в діапазоні частот від 300 МГц до 300 ГГц. ККД магнетронних генераторів досягає 85%. Звичайно магнетрони використаються для одержання коливань більших потужностей (декілька МВт) в імпульсному режимі й десятків кВт при безперервній генерації.

Клістронний Генератор (рис.1.18) також містить об'ємний резонатор, у якому коливання збуджуються й підтримуються електронним потоком.

клістронний генератор

Рисуфнок 1.18 - Клістронний генератор

Потік електронів, що випускається катодом К, прискорюється електричним полем, створеним джерелом живлення. У відбивному клістроні електрони пролітають через сітки об'ємного резонатора С й, не досягаючи анода А, потенціал якого від'ємний щодо сіток резонатора, відбиваються, пролітають через резонатор у зворотному напрямку й т. д. Якби електрони пролітали через резонатор суцільним потоком, то протягом одного напівперіоду коливань резонатора вони віддавали б резонаторам енергію, а протягом другого напівперіоду віднімали б цю ж кількість енергії в резонатора генерування електричних коливань було б неможливе. Якщо ж електрони влітають у резонатор окремими "згустками", причому в такі моменти, коли резонатор їх гальмує, то вони віддають резонатору енергії більше, ніж забирають у нього. При цьому електронний потік підсилює виниклі в резонаторі випадкові коливання й підтримує їх з постійною амплітудою. Так як, групування електронного потоку в згустки відбувається за час, що відповідає декільком періодам коливань, то довжина "простору угруповання" задається швидкістю електронів і частотою генерируємих коливань. Завдяки цьому найбільше поширення клістронні генератори мають у сантиметровому й міліметровому діапазонах довжин хвиль. Потужність клістронів невелика - від декількох мВт у міліметровому діапазоні до декількох Вт у сантиметровому. Потужність двухрезонаторних прольотних клістронних генераторів у сантиметровому діапазоні може становити десятки Вт.

У Квантових Генераторах роль високодобротної коливальної системи виконують збуджені атоми або молекули активної речовини. Переходячи зі збудженого стану в незбуджене, вони випромінюють порції (кванти) електромагнітної енергії, рівні hv, де h - Планка постійна, v - частота електромагнітних коливань, характерна для даного сорту атомів. Джерелом енергії є збуджені атоми й молекули, а для відбору збуджених молекул служить система, що сортує. Наприклад, у молекулярному генераторі на аміаку джерелом живлення є джерело молекулярного пучка аміаку. Об'ємний резонатор, у якому перебуває активна речовина, здійснює зворотний зв'язок, викликаючи за допомогою електромагнітного поля змушене випромінювання молекул і вкладення коливальної енергії, що компенсує втрати, включаючи відбір енергії з зовні. Аміачний генератор працює на частоті 23,870 ГГц із досить стабільною й вузькою спектральною лінією генеруємих коливань за рахунок високої добротності квантового переходу. Висока стабільність частоти коливань, генеруємих квантовими генераторами в радіодіапазоні (на аміаку, водні, синильній кислоті й ін.), дозволяє використати їх як квантові стандарти частоти.

Похожие статьи




Генератори майже гармонійних коливань - Аналітичний огляд генераторів коливань

Предыдущая | Следующая