Наведенные токи в цепях электродов лампы

Рассмотрим влия­ние инерции электронов на наведенные токи в цепях анода и управляющей сетки.

Для определения наведенных токов в цепях электродов необходимо вычислить средние значения конвекционного тока во всех междуэлектродных промежутках, каждый из которых может быть представлен в виде ди­ода (рис.1).

Приняв те же допущения, что и при определении среднего конвекционного тока диода, для каждого междуэлектродного пространства, разбив его на элементарные промежутки, можно найти сред­нее значение конвекционного тока. Вектор Iконв.ср1 , характеризующий средний конвек­ционный ток в промежутке между управляющей сеткой и катодом, отстает от вектора сеточного напряжения Uс1 на угол θкс1ср, меньший угла θкс1 , соответствующего времени пролета электронов от катода до уп­равляющей сетки(рис.2а).

Время пролета τкс1 зависит от конструкции лампы и может быть найдено по соответствующим формулам (см. лекцию №1), в которые вместо Ua следует подставить Uд1 - действующее напряжение управляю­щей сетки.

 

Вектор среднего конвекционного тока в промежутке между первой и второй сетками Iконв.ср2 определяется аналогичным способом. Очевидно, этот вектор отстает от вектора Uс1 на угол, несколько больший угла θкс1 , так как каждый слой электронов, попадающий во

второй промежуток, проходит первый промежуток в течение времени τкс1. В то же время следует учесть, что электроны во втором промежутке летят значительно быстрее, чем в первом, так как на них действует сильное ускоряющее поле, обусловленное относительно высоким положительным потенциалом экранирующей сетки. Поэтому можно считать, что угол θкс2ср примерно равен углу θкс1 (рис.2б). По этой же причине век торы Iконв.ср3 и Iконв.ср4 повернуты относительно вектора Iконв.ср2 на небольшой угол, так что для вектора Iконв.ср4, характеризующего среднее значение конвекционного тока в проме­жутке, прилегающем к аноду, можно считать θкаср θка

Наведенные токи в цепях электродов можно найти по средним значениям конвекционных токов в промежутках, прилегающих к электродам. Так, наведенный ток в цепи катода равен току Iконв.ср1, а наведенный анодный ток - току Iконв.ср4. Попутно можно отметить, что амплитуда анодного тока с увеличением частоты уменьшается из-за влияния инерции электронов, так как среднее значение конвекционного тока уменьшается при увеличении угла пролета θка. С ростом частоты фазовый сдвиг вектора наведенного анодного тока относительно вектора сеточного напряжения увеличивается быстрее, чем уменьшается амплитуда тока, так как фазовый сдвиг обуслов-

 

 

лен углами пролета электронов во всех промежутках лампы, в том числе самым большим углом пролета в промежутке между катодом и первой сеткой.

Наведенные токи в цепях электродов, расположенных между анодом и катодом, можно найти как разность средних конвекцион­ных токов в соседних с рассматриваемым электродом промежутках. В частности, наведенный ток в цепи управляющей сетки Iнс1 представляет собой разность токов Iконв.ср1 и Iконв.ср2. Для определения вектора наведенного тока необходимо найти геометрическую разность двух соответствующих векторов, как показано на рис. 3.

Из векторной диаграммы следует, что на СВЧ из-за инерции электронов в цепи управляющей сетки появляется наведенный ток, который опережает по фазе сеточное напряжение на некоторый угол φ, не равный 90°. Это означает, что в цепи управляющей сетки появляются активная и реактивная составляющие наведенного тока. Появление активной составляющей сеточного тока показывает, что в цепи управляющей сетки расходуется энергия источника переменного тока, несмотря на то, что на сетку непосредственно электроны не попадают.

Для того чтобы уяснить физический смысл этого явления, не­обходимо учесть, что источник переменного тока, включенный в цепь управляющей сетки, создает переменное поле не только в промежутке между катодом и управляющей сеткой, но и в промежут­ке между управляющей и экранирующей сетками, так как в рабочих режимах экранирующая сетка соединена с катодом по переменному току. По этой причине в любой момент времени поле в промежутке перед первой сеткой на

правлено противоположно полю в промежут­ке после первой сетки.

На низких частотах каждый из рассматриваемых промежутков в единицу времени проходит одинаковое количество электронов. Поэтому если в первом промежутке электроны ускоряются и отбирают энергию от источника, то во втором промежутке такое же количество электронов тормозится и отдает энергию источнику, так что в среднем источник не расходует энергию на управление потоком электронов и активная составляющая сеточного тока ока­зывается равной нулю.

В диапазоне СВЧ угол пролета электронов конечен и многие электроны, вылетевшие из катода во время положительного полу­периода переменного напряжения, ускоряющиеся в первом проме­жутке и замедляющиеся во втором, не успевают долететь до второй сетки, когда напряжение на первой сетке изменяет знак и поле во втором промежутке начинает ускорять эти электроны. На уско­рение электронов расходуется энергия источника переменного то­ка.

Электроны, вылетевшие из катода во время отрицательного полупериода переменного напряжения на первой сетке, отдают часть энергии источнику, но в отрицательный полупериод напря­жения вылетает меньшее количество электронов, поэтому источник в среднем расходует энергии больше, чем получает ее от элект­ронов.

Оценку активной составляющей наведенного тока в цепи уп­равляющей сетки Iн.с1акт можно произвести с помощью следующих рассуждений.

В соответствии с векторной диаграммой (рис.3)

или при относительно небольших углах φ’

Амплитуда наведенного тока Iн.с1 пропорциональна углу пролета θкс1 = ωτкс1 , так как угол между векторами Iконв.ср1 и Iконв.ср2 пропорционален углу θкс1. Кроме того, ток Iн.с1 пропорционален среднему конвекционному току в промежутке между катодом и сеткой, т.е. катодному току, который может быть выра­жен произведением SkUc1 , где Sk - крутизна характеристики ка­тодного тока.

Входящий в выражение (1) угол φ' также пропорционален углу пролета θкс1, поэтому можно записать

где р - коэффициент пропорциональности, который определяется расстоянием между электродами и постоянными напряжениями элект­родов.

Реактивная составляющая наведенного сеточного тока, как видно из векторной диаграммы, имеет емкостный характер. Таким образом, к "холодной" входной емкости многоэлектродной лампы на СВЧ добавляется емкость, обусловленная инерцией электронов, так что "горячая" входная емкость лампы становится больше "холодной". Приближенно можно считать, что "горячая" емкость в 4/3 раза больше "холодной" и не зависит от частоты. В действи­тельности с ростом частоты "горячая" емкость несколько уменьша­ется из-за быстрого роста активной составляющей наведенного се­точного тока, но остается большей "холодной" емкости.

Таким образом, в диапазоне СВЧ наведенные токи в цепях электродов из-за влияния инерции электронов изменяются с рос­том частоты по амплитуде и фазе. Междуэлектродные емкости и индуктивности вводов усиливают частотную зависимость амплитуд и фаз наведенных токов, так как с ростом частоты сопротивления междуэлектродных емкостей уменьшаются, а сопротивления индуктивностей вводов увеличиваются.

 

2. Параметры и эквивалентные схемы ламп на СВЧ

В связи с частотной зависимостью токов в цепях электродов свойства лампы в диапазоне СВЧ значительно отличаются от свойств их на низких частотах. Наиболее отчетливо это проявля­ется в частотной зависимости параметров электронных ламп, в качестве которых обычно используются проводимости П-образной схемы замещения эквивалентного четырехполюсника.

Входная проводимость. Входная проводимость лампы определя­ется выражением YBX = IBX/UBX (при uвых = 0) и содержит в общем случае активную gВХ и реактивную bВХ составляющие.

На низких частотах величина проводимости gвx обусловлена лишь несовершенством изоляции между выводами сетки и катода и составляет примерно 10-7 – 10-8 См, а проводимость bвх опреде­ляется произведением ωСВХ, которое невелико вследствие малос­ти частоты ω, причем емкость С не изменяется с изменением частоты.

В диапазоне СВЧ характер частотной зависимости проводимос­ти YBX значительно изменяется главным образом вследствие влия­ния на нее инерции электронов и индуктивностей вводов. Эти факторы действуют независимо друг от друга, что позволяет по­очередно рассмотреть их влияние на входную проводимость.

Рассмотрим влияние инерции электронов на входную проводи­мость, пренебрегая влиянием индуктивностей вводов. Для упроще­ния задачи в качестве исследуемой лампы выберем триод, хотя полученные выводы будут относиться к любой лампе с сетками, так как инерция электронов в наибольшей степени проявляется в промежутке между управляющей сеткой и катодом.

На рис.4а показана схема триода с междуэлектродными ем­костями. Анод триода замкнут с катодом в соответствии с определением входной проводимости (UВЫХ = 0), а во входной цепи учтены междуэлектродные емкости.

Для определения входной проводимости необходимо найти входной ток IВХ, который обусловлен токами через междуэлектродные промежутки с емкостями Сас и Сск и наведенным током, появляющимся вследствие конечного угла пролета электронов между катодом и сеткой.

Векторная диаграмма токов и напряжения во входной цепи показана на рис.14.96. Наведенный ток Iн. с опережает входное напряжение на некоторый угол φ, а емкостные токи Iас и Iск - на угол 90°. Сумма токов представляет собой входной ток, который, как следует из диаграммы, опережает напряжение на угол, больший φ.

 

 

Активная составляющая входной проводимости определяется отношением

Активная составляющая входного тока равна активной состав­ляющей наведенного тока в цепи сетки, поэтому, подставив в фор­мулу (3) значение этой составляющей из выражения (2) с учетом равенства Uвх =Uс1 , получим

Реактивная составляющая входной проводимости может быть найдена как отношение реактивной составляющей входного тока к входному напряжению:

Реактивная составляющая входного тока представляет собой сумму токов через промежутки с емкостями Сск и Сас и емкостной составляющей наведенного тока, которая может быть представле­на в виде тока, протекающего через некоторый конденсатор с ем­костью С. С учетом того, что промежутки с емкостями Сск и Сас включены параллельно и на них действует одно и то же напряже­ние Uвх, можно получить

 

Емкость Cθ , определенная с учетом инерции электронов, яв­ляется "горячей" входной емкостью лампы. Она больше "холодной" емкости (Сас + Сск) на величину С и, как уже отмечалось, с ростом частоты несколько уменьшается.

Рассмотрим теперь влияние индуктивностей вводов на входную проводимость, предположив, что влияние инерции электронов от­сутствует.

Наибольшее действие на работу лампы в диапазоне СВЧ оказы­вает индуктивность вывода электрода, общего для входной и вы­ходной цепей, так как напряжение, действующее на этой индук­тивности, оказывается приложенным к входу лампы.

 

 

В наиболее часто используемой схеме с общим катодом роль такой индуктивности выполняет индуктивность катодного ввода Lк. В этом случае схема триода для определения входной проводимости выглядит так, как показано на рис.5а.

 

Для определения входной проводимости построим векторную диаграмму токов и напряжений во входной цепи лампы (рис.5б). При построении диаграммы учтем, что из-за отсутствия влияния инерции электронов катодный ток Iк совпадает по фазе с напря­жением Uск между сеткой и катодом. Ток Iк, протекая по катод­ному вводу с индуктивностью Lк, создает на нем напряжение UL , опережающее по фазе ток Iк на 90°. Напряжение на входе Uвх представляется суммой

что и отображено на векторной диаграмме.

Входной ток Iвх состоит из двух составляющих, одна из кото­рых обусловлена действием напряжения Uск на промежутке с емкос­тью Сск, а другая - действием напряжения Uвх на промежутке с емкостью Сас. Вследствие этого составляющая Ick входного тока опережает на 90° напряжение Uск, а составляющая Ick напряжение Uвх .

Из векторной диаграммы видно, что входной ток Iвх = Iас + Iск опережает входное напряжение на угол, меньший 90°, т.е. входной ток имеет активную и реактивную составляющие, по кото­рым можно определить величину входной проводимости


 

откуда следует, что реактивная входная проводимость bвх L , обусловлена только "холодной" входной емкостью, так как инерция электронов не учитывалась. Активная входная проводимость, оп­ределенная с учетом только индуктивности катодного ввода, про­порциональна квадрату частоты:

Из формулы (6) также видно, что активная входная прово­димость пропорциональна не только индуктивности катодного вво­да, но и емкости между катодом и сеткой.

Расчеты показывают, что индуктивности вводов других элект­родов несколько уменьшают проводимость gвхL по сравнению с ее значением, определенным по формуле (6), однако, как прави­ло, не более чем на 10%.

Полная активная входная проводимость лампы в диапазоне СВЧ может быть найдена путем сложения определенных независимо друг от друга проводимостей в соответствии с выражениями (4) и (6):

Входящие в эту формулу составляющие входной активной проводимости имеют один и тот же порядок, поэтому при вычисле­нии полной проводимости ни одной из составляющих пренебрегать нельзя.

На практике часто пользуются понятием входного сопротивле­ния лампы Rвх, которое определяется сопротивлением параллель­но соединенных элементов gвхτ и gвхL

Из выражений (4) и (6) следует, что сопротивление Rвх пропорционально квадрату длины волны λ, поэтому можно записать

Коэффициент а определяется конст­рукцией и режимом лампы. Его значения обычно лежат в пределах 0,1 - 3 кОм/м2.

Полная реактивная входная проводимость определяется выра­жением (5), учитывающим влияние инерции электронов на ра­боту лампы. Однако следует иметь в виду, что влияние индук

 

тивностей вводов и междуэлектродных емкостей на работу лампы в диапазоне СВЧ может выразиться в возникновении резонансных явлений в цепях электродов, резко изменяющих входную проводимость вблизи резонансной частоты. Входная цепь лампы на часто­те последовательного резонанса может оказаться замкнутой нако­ротко. Резонансная длина волны для пентодов обычно лежит в пре­делах 0,4 - 2м.

Выходная проводимость. Инерция электронов почти не оказы­вает влияния на выходную проводимость лампы Yвых = Iвых /Uвых (при Uвх = 0), так как анодное напряжение слабо воздействует на конвекционный ток в плоскости катода, а значит, и на наве­денный анодный ток.


С ростом частоты увеличивается индуктивное сопротивление катодного ввода (рис.6а), который оказывается включенным между сеткой и катодом.

На СВЧ под действием переменного напряжения Uвых через промежуток с емкостью С и катодный ввод с индуктивностью Lк течет ток Iак≈ jωCакUвых, определяемый емкостью Cак.

Ток Iак создает на катодном вводе напряжение

оказывающееся в противофазе с напряжением Uвых (рис.6б). Напряжение UL , действующее между сеткой и катодом, вызы­вает дополнительное увеличение выходного тока на величину

 

 

Увеличение выходного тока означает увеличение активной вы­ходной проводимости, выражение для которой на СВЧ может быть записано в виде

Таким образом, с ростом частоты активная составляющая вы­ходной проводимости увеличивается на величину, пропорциональна квадрату частоты.

Крутизна характеристики. Влияние инерции электронов на кру­тизну характеристики S = Iвых / Uвх (при Uвых = 0) сводится главным образом к появлению на СВЧ фазового угла φ между вы­ходным током Iвых, и входным напряжением Uвх = Uск (рис.7а), увеличивающегося с ростом частоты. Теория показывает, что этот угол определяется выражением

в котором индексы при обозначениях углов пролета характеризу­ют соответствующие междуэлектродные промежутки.

 

При изменении угла ψ изменяются активная и реактивная составляющие крутизны, однако модуль крутизны остается практи­чески постоянным вплоть до очень высоких частот и только в ди­апазоне дециметровых длин волн начинает несколько уменьшаться из-за уменьшения среднего конвекционного тока. Малые изменения модуля крутизны объясняются тем, что модуль выходного тока за­висит от угла пролета электронов в промежутке между последней сеткой и анодом в лампе (сеткой и анодом в триоде), а этот угол мал и при изменении частоты изменяется незначительно.

Крутизна характеристики в диапазоне СВЧ зависит также от индуктивности вводов катода и управляющей сетки Lвв=Lк+Lс,так как на этих вводах создаются напряжения, действующие между сеткой и катодом лампы (рис. 7б).

Наличие индуктивности Lвв может привести к увеличению крутизны. Опыт показывает, что крутизна характеристики миниатюрных усилительных ламп при переходе от низких частот к частотам, со­ответствующим метровым длинам волн, увеличивается примерно в 1,5-2 раза. Дальнейшее увеличение частоты, как уже отмеча­лось, приводит к уменьшению крутизны характеристики из-за влия­ния инерции электронов.

Падение напряжения на катодном вводе вызывает не только изменение крутизны, но и появление дополнительного фазового сдвига γ, так что полный фазовый сдвиг между входным напряже­нием и выходным током ψ' = ψ + γ (рис.7а).

Проводимость обратной передачи. Проводимость обратной пере­дачи лампы Yoбр = /вх / U6ых (при U = 0) практически не зависит от инерции электронов и имеет только реактивную состав­ляющую, обусловленную проходной емкостью. "Холодная" и "горя­чая" проходные емкости примерно равны, так как угол пролета электронов между управляющей сеткой и анодом мал. Однако с ростом частоты проходная емкость изменяется вследствие влия­ния индуктивностей вводов экранирующей и защитной сеток.

Рассмотрение схемы тетрода, изображенной на рис.8а и построенной в соответствии с определением проводимости Yoбр и эквивалентной схемы междуэлектродных емкостей (рис.8б) позволяет получить выражение для эквивалентной проходной ем­кости:

На некоторой частоте, называемой частотой самонейтрализа­ции, проходная емкость становится равной нулю и воздействие выходного напряжения на входной ток прекращается.

В пентодах на проводимость обратной передачи оказывают влияние также индуктивность ввода защитной сетки и емкость между анодом и третьей сеткой, уменьшающие проходную емкость и частоту самонейтрализации. При работе лампы в диапазоне частот, больших частоты само­нейтрализации, проходная проводимость приобретает индуктивный характер, что приводит к значительному ухудшению усилительных свойств лампы.

 

3.Особенности конструкции и эксплуатации ламп на СВЧ

 

Электронно-управляемые лампы, предназначенные для исполь­зования в диапазонах метровых, дециметровых и сантиметровых волн, могут иметь в общих чертах такую же конструкцию, как и обычные низкочастотные лампы. Однако конструкция электродов и вводов, их взаимное расположение, конструкция баллонов, выбор проводящих и изолирующих материалов ламп СВЧ имеют ряд особен­ностей, обусловленных влиянием на их работу инерции электронов, сосредоточенных и распределенных индуктивностей и емкостей, а также высокочастотных потерь в материалах, из которых изготов­лены детали лампы.

С целью уменьшения влияния инерции электронов междуэлект­родные расстояния в лампах СВЧ делаются небольшими. Особенно мало расстояние между управляющей сеткой и катодом (15-30 мкм).

Снижения емкости, увеличивающейся при сближении электродов, добиваются уменьшением размеров электродов, а

 

получения необ­ходимой мощности - развитием внешней поверхности анода, приме­нением высокоэффективных катодов и снабжением сеток охлаждаю­щими пластинами. Кроме того, для снижения термоэлектронной эмиссии сеток их обычно покрывают тонким слоем золота.

Сетки электронных ламп имеют мелкую структуру и выполняют­ся из тонкой проволоки. Этим обеспечивается большая равномер­ность поля и большая величина наведенного тока в анодной цепи, так как при искажениях электрического поля отдельные электроны имеют различные углы пролета, что приводит к уменьшению наведенного тока.

Высокоэффективные катоды позволяют получить большую величи­ну катодного тока и большие значения крутизны характеристики.
Необходимость применения высокоэффективных катодов обусловле­на также бомбардировкой катода возвращающимися к нему электронами, которая особенно сильно проявляется в мощных лампах, ра­ботающих при больших амплитудах переменного напряжения электро­дов. ,

Уменьшение индуктивности выводов от электродов ламп иногда достигается за счет увеличения числа выводов. Так, в лампах с дисковыми выводами последние выполнены не в виде стержней, а в виде дисков. С помощью дисковых выводов лампа соединяется с колебательной системой, представляющей собой либо коаксиальный, либо объемный резонатор. Типичным представителем ламп этого ти­па является маячковая лампа, названная так из-за своей формы (рис.9а). Лампа имеет плоские электроды (катод 11, анод 5, сетка 10) с дисковыми выводами 2, 6 и 9, которые отделены друг от друга стеклянными цилиндрами 3 и 7, образующими баллон лам­пы. Нижняя часть маячковой лампы выполняется обычно в виде ме­таллического цилиндра со стеклянным дном, через которое проходят выводы 2, 1 и 12 соответственно от катода, подогревателя и корпуса к октальному цоколю, дисковые выводы от электродов лампы выступают за стенки баллона, образуя кольца, служащие для соединения с резонаторами 4 и 8.

Маячковые лампы удовлетворительно работают на частотах примерно до 5 ГГц.

Разновидностью маячковых ламп являются так называемые ка­рандашные лампы, имеющие цилиндрическую систему электродов и выполненные в виде карандаша. Баллон карандашного триода, на­пример, образуется из металлических трубок, служащих выводами анода и катода, и стеклянного цилиндра, расположенного в сред­ней части лампы, с дисковым выводом от сетки. Междуэлектродные расстояния в карандашных лампах несколько больше, чем в маячковых, поэтому карандашные лампы удовлетворительно работают на более низких частотах.

Более совершенными являются металлокерамические лампы, ко­торые могут работать на частотах вплоть до 10 ГГц. Увеличение диапазона рабочих частот достигается уменьшением междуэлектрод­ных расстояний в металлокерамической лампе и использованием для изоляции вместо стекла высокочастотной керамики, имеющей малые потери на СВЧ. Применение керамики, кроме того, повышает механическую и термическую устойчивость ламп. На рис.9б показана схема конструкции типичного металлокерамического триода. Выводы 2, 14, 9 и 1 соответственно от электродов триода 11, 5, 10 и нити накала выполнены в виде ко­аксиальных цилиндров, отделенных друг от друга керамическими шайбами 15, 3 и 7. Между шайбами размещены металлические коль­ца 13, к которым" прикреплены электроды и выводы. Чаще всего в качестве металла для колец в современных лампах используется титан, и такие лампы называют титанокерамическими. Титан обла­дает хорошими газопоглотительными свойствами, высокой механи­ческой прочностью при малом удельном весе и способностью

 

легко спаиваться с керамическими материалами без их предварительной металлизации, что позволило упростить технологию изготовления ламп и создать надежные в эксплуатации приборы.

Металлокерамические лампы используются для усиления и ге­нерирования колебаний, а также для умножения частоты как в не­прерывном, так и в импульсном режимах работы. На частотах око­ло 1 ГГц эти лампы позволяют получить выходную мощность в не­прерывном режиме 10 Вт, а в импульсном - более 100 кВт.

Лампы малой мощности работают без принудительного охлажде­ния, а лампы средней мощности - с принудительным воздушным ох­лаждением, для чего к аноду лампы крепится радиатор с большой площадью внешней поверхности.

Для генерирования колебаний большой мощности, достигающей нескольких сотен киловатт в непрерывном режиме, в дециметровом диапазоне волн применяются мощные разборные лучевые тетроды с непрерывной откачкой и водяным охлаждением.

 


<== предыдущая лекция | следующая лекция ==>
Эквивалентная схема и параметры диода. Особенности эксплуатации и применения | Общие сведения о приборах СВЧ. Виды приборов




Дата добавления: 2015-12-16; просмотров: 2136;


Поиск по сайту:

При помощи поиска вы сможете найти нужную вам информацию.

Поделитесь с друзьями:

Если вам перенёс пользу информационный материал, или помог в учебе – поделитесь этим сайтом с друзьями и знакомыми.
helpiks.org - Хелпикс.Орг - 2014-2024 год. Материал сайта представляется для ознакомительного и учебного использования. | Поддержка
Генерация страницы за: 0.047 сек.