Большая Советская Энциклопедия (ГЕ)

Большая Советская Энциклопедия

Для создания отрицательного сопротивления можно использовать электрический разряд в газах, вольтамперная характеристика которого имеет падающий участок. Например, в определённых режимах дугового разряда с увеличением тока I возрастает температура дуги, увеличивается количество ионов в разрядном промежутке и за счёт этого сопротивление промежутка падает, что приводит к уменьшению падения напряжения между электродами U. Это свойство дугового разряда использовалось в дуговых генераторах высокой частоты, применявшихся до появления ламповых генераторов (рис. 7, а, б).

Подобным же образом может быть использована падающая характеристика туннельного диодаТД (рис. 8, а). Если рабочая точка на характеристике диода находится на падающем участке его характеристики, то это соответствует введению в колебат. контур отрицательного сопротивления.

Если колебательный контур обладает высокой добротностью, то

генерируемые колебания по форме близки к гармоническим и их частота определяется собственной частотой контура с учётом дополнительной ёмкости диода (подключенного параллельно основной ёмкости С, рис. 8).

Амплитуда установившихся колебаний будет определяться условием, чтобы средний наклон рабочего участка характеристики (с учётом захода колебаний за пределы наиболее крутого участка падающей характеристики) обеспечивал бы полную компенсацию потерь на активном сопротивлении контура, включая и полную нагрузку генератора R_полн. При этом R_{oтрицат.} = R_полн.

Генераторы с ТД могут генерировать колебания вплоть до частот 100 Ггц, но с весьма малой мощностью — порядка долей мквт. На дециметровых и сантиметровых волнах мощность таких генераторов может достигать нескольких мвт. Они, будучи чрезвычайно компактными и экономичными, наиболее успешно применяются в качестве гетеродинов в радиоприёмниках СВЧ диапазона. Полупроводниковые генераторы (как и ламповые) не могут генерировать очень высокие частоты (в области сантиметровых и более коротких волн). В этой области частот используются, как правило, устройства с объёмными резонаторами (вместо контуров).

Большинство приведённых ранее понятий (активный элемент, пассивные цепи, отрицательное сопротивление и др.) в полной мере применимо лишь к устройствам, состоящим из сосредоточенных элементов (лампа, сопротивление, конденсатор, катушка индуктивности и т. д.), размеры которых много меньше длины волны l. Продвижение в область СВЧ привело к созданию генераторов, представляющих собой системы с распределёнными параметрами. В этих устройствах для Г. э. к. используются различные явления, возникающие в электронных потоках в вакууме, в плазме или при прохождении тока через некоторые твёрдые тела, например полупроводники. В этих случаях не всегда применимо само понятие электрической цепи и невозможно выделять раздельно пассивные цепи и активный элемент.

Магнетронный генератор. В магнетронном генераторе колебания СВЧ возбуждаются в системе объёмных резонаторов (полости с проводящими стенками). Резонаторы расположены по окружностям массивного анода и их собственная частота (определяется диаметром полости и шириной щели, соединяющей каждую полость с общим пространством, в центре которого расположен катод (рис. 9). Магнитное поле, искривляя траектории электронов, движущихся от катода К к аноду А, формирует общий электронный поток, пролетающий последовательно вдоль щелей резонаторов. Магнитное поле подбирается таким, чтобы большинство электронов двигалось по траекториям, почти касающимся щелей. Т. к. в резонаторах за счёт случайных токов неизбежно возникают слабые электрические колебания, то около щелей существуют слабые переменные электрические поля Е. Пролетая в этих полях, электроны в зависимости от их направления относительно поля Е либо ускоряются, отбирая энергию у резонатора, либо тормозятся, отдавая часть энергии резонаторам. Электроны, ускоренные полем первого же резонатора, возвращаются на катод. Заторможенные (рабочие) электроны попадают в поле следующих резонаторов, где они также будут тормозиться, если попадают туда в «тормозящие» полупериоды электромагнитного поля. Путём соответствующего подбора скорости электронов (анодного напряжения U_a и магнитного поля Н) можно добиться того, чтобы электроны больше отдавали энергии резонаторам, чем забирали у них. Тогда колебания в резонаторах будут нарастать. Нелинейность характеристик магнетрона обеспечивает установление постоянной амплитуды генерируемых колебаний. Отбор энергии может производиться из любого резонатора с помощью петли связи П.

В магнетроне источником питания является источник анодного напряжения U_a, колебательной системой — резонаторы. Роль активного элемента, обеспечивающего преобразование постоянной энергии в энергию электрических колебаний, играет электронный поток, находящийся под действием магнитного поля.

Магнетроны генерируют гармонические колебания в диапазоне частот от 300 Мгц до 300 Ггц. Кпд магнетронных генераторов достигает 85%. Обычно магнетроны используются для получения колебаний больших мощностей (несколько Мвт) в импульсном режиме и десятков квт при непрерывной генерации (подробнее см. Магнетрон).

Клистронный генератор. Клистронный генератор также содержит объёмный резонатор, в котором колебания возбуждаются и поддерживаются электронным потоком.

Поток электронов, испускаемый катодом К (рис. 10, а), ускоряется электрическим полем, создаваемым источником питания. В отражательном клистроне электроны пролетают через сетки объёмного резонатора С и, не достигая анода А, потенциал которого отрицателен относительно сеток резонатора, отражаются, пролетают через резонатор в обратном направлении и т. д. Если бы электроны пролетали через резонатор сплошным потоком, то в течение одного полупериода колебаний резонатора они отдавали бы резонаторам энергию, а в течение второго полупериода отнимали бы это же количество энергии у резонатора, и Г. э. к. было бы невозможно. Если же электроны влетают в резонатор отдельными «сгустками», причём в такие моменты, когда резонатор их тормозит, то они отдают резонатору энергии больше, чем забирают у него. При этом электронный поток усиливает возникшие в резонаторе случайные колебания и поддерживает их с постоянной амплитудой. Т. к. группирование электронного потока в сгустки происходит за время, соответствующее нескольким периодам колебаний, то протяжённость «пространства группировки» задаётся скоростью электронов и частотой генерируемых колебаний. Благодаря этому наибольшее распространение клистронные генераторы имеют в сантиметровом и миллиметровом диапазонах длин волн. Мощность клистронов невелика — от нескольких мвт в миллиметровом диапазоне до нескольких вт в сантиметровом. Мощность двухрезонаторных пролётных клистронных генераторов (рис. 10, б) в сантиметровом диапазоне может составлять десятки вт (подробнее см. Клистрон).

Квантовые пучковые генераторы. В квантовых генераторах роль высокодобротной колебат. системы выполняют возбуждённые атомы или молекулы активного вещества. Переходя из возбуждённого состояния в невозбуждённое, они излучают порции (кванты) электромагнитной энергии, равные hv, где h — Планка постоянная, v — частота электромагнитных колебаний, характерная для данного сорта атомов. Источником энергии являются возбуждённые атомы и молекулы, а для отбора возбуждённых молекул служит сортирующая система. Например, в молекулярном генераторена аммиаке источником питания является источник молекулярного пучка аммиака. Объёмный резонатор, в котором находится активное вещество, осуществляет обратную связь, вызывая с помощью электромагнитного поля вынужденное излучение молекул и вложение колебательной энергии, компенсирующее потери, включая отбор энергии во вне. Аммиачный генератор работает на частоте 23,870 Ггц с весьма стабильной и узкой спектральной линией генерируемых колебаний за счёт высокой добротности квантового перехода. Высокая стабильность частоты колебаний, генерируемых квантовыми генераторами в радиодиапазоне (на аммиаке, водороде, синильной кислоте и др.), позволяет использовать их как квантовые стандарты частоты.

Релаксационные генераторы. Существует широкий класс генераторов, у которых пассивные цепи, где возбуждаются и поддерживаются колебания, не обладают колебательными свойствами (контуры с большими потерями и др. апериодические цепи, например комбинации ёмкостей С и сопротивлений R или индуктивностей L и сопротивлений R). В подобных генераторах за каждый период колебаний теряется и вновь пополняется значительная часть всей колебательной энергии. Период генерируемых колебаний при этом определяется временем релаксации (процесса установления равновесия) в этих цепях. Такие генераторы называют релаксационными. В этом случае форма колебаний определяется совместно свойствами колебательных цепей и активного элемента и может быть весьма разнообразной — от скачкообразных, почти разрывных колебаний (например, мультивибраторы) до колебаний, сколь угодно близких к гармоническим (RC– генераторы синусоидальных колебаний). Эта особенность релаксационных генераторов широко используется для получения электрических колебаний специальной формы, например прямоугольных импульсов, пилообразного напряжения (рис. 11) и тока, а также для генерации гармонических колебаний звуковой и сверхнизкой частот.

Тиратронный генератор пилообразного напряжения — простейший релаксационный генератор (рис. 12, а). У тиратрона напряжение зажигания выше напряжения гашения. Его напряжение U изменяется практически линейно со временем до некоторого максимального значения, а затем достаточно быстро падает до начальной величины (рис. 11). Т. к. вольтамперная характеристика тиратрона обладает падающим участком характеристики (рис. 12, б), то процесс зарядки ёмкости С до напряжения зажигания тиратрона происходит медленно, после чего накопленный на ёмкости заряд быстро разряжается через тиратрон; напряжение на нём падает до значения, при котором тиратрон гаснет. При этом внутреннее сопротивление тиратрона становится большим, в результате чего зарядка ёмкости С повторяется, и т. д. Период колебаний определяется временем зарядки и разрядки ёмкости, т. е. временем релаксации цепи RC.