1. Исследование тетродного усилителя
 |
1. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕТРОДНОГО УСИЛИТЕЛЯ
Цель работы: изучение особенностей конструкции тетродного микроволнового усилителя с двухзазорным входным устройством, экспериментальное определение его характеристик и параметров в различных режимах работы.
1.1. Основные теоретические положения
1.1.1. Особенности усилителей на тетродах
Тетроды средней и большой мощности по-прежнему сохраняют конкурентноспособность в дециметровом диапазоне длин волн по сравнению с другими микроволновыми приборами [1].
К преимуществам их можно отнести следующие качественные показатели:
– меньшие габариты и вес,
– более низкие питающие напряжения,
– отсутствие специальных фокусирующих систем,
– высокий средний КПД,
– малые нелинейные искажения,
– высокая фазовая стабильность.
В отличие от электронно-лучевых микроволновых приборов, в тетродах используется квазистатический принцип управления электронным потоком, а не скоростная модуляция.
Это исключает необходимость применения длинных пролетных труб (в случае клистронов) или замедляющих систем (в случае ламп бегущей волны). Поэтому габариты и вес тетродов значительно меньше. Кроме того, не требуется сложных систем фокусировки для сопровождения луча.
В микроволновых тетродах высокие уровни выходной мощности достигаются за счет больших токов при сравнительно низких питающих напряжениях.
Высокий средний КПД объясняется тем, что в режиме амплитудной модуляции тетроды работают в классе В и С, т. е. с отсечкой катодного тока. При отсутствии высокочастотного сигнала ток через них не проходит. В клистронах же и ЛБВ в этом случае вся мощность электронного потока выделяется на коллекторе. Поэтому при усилении, например, телевизионного сигнала средний КПД клистронных передатчиков оказывается в 2–2,5 раза ниже тетродных.
Меньший уровень нелинейных искажений в этих усилителях связан с особенностями амплитудных характеристик. Если в клистронах и ЛБВ вследствие процессов группирования электронов амплитудные характеристики напоминают синусоиду, то аналогичные характеристики тетродных усилителей имеют вид S-кривых. Сравнение амплитудных характеристик тетрадного микроволнового усилителя и клистрона представлено на рис. 1.1.
При такой форме характеристик, как показывают расчеты, уровень комбинационной составляющей 3-го порядка получается ниже, чем в случае синусоидальной амплитудной характеристики.
И, наконец, высокая фазовая стабильность выходного сигнала тетродных усилителей объясняется малыми пролетными углами электронов, поэтому время задержки прохождения сигнала и его изменение при варьировании амплитуды сигнала и питающих напряжений на порядок меньше, чем в клистронах и ЛБВ.
Среди недостатков тетродных усилителей следует отметить низкие значения коэффициента усиления по мощности, низкие предельные рабочие частоты, ограниченную полосу пропускаемых частот, а также значительно меньшие надежность и долговечность.
Для повышения коэффициента усиления по мощности переходят от включения с общей сеткой к схеме включения с общим катодом. При этом существенно уменьшается активная входная электронная проводимость и требуется меньший уровень входной мощности.
Однако конструктивная реализация схемы с общим катодом в случае тетродов с плоскими электродами вызывает известные трудности. Для усилителя на тетроде с плоскими электродами предложена схема с «висячей» сеткой, позволяющая обеспечить при определенных условиях равенство амплитуд и противофазность напряжений на зазорах «катод – управляющая сетка» и «управляющая сетка – экранирующая сетка», что соблюдается в схеме с общим катодом.
1.1.2. Описание конструкции тетродного усилителя
В предложенной конструкции входного устройства с «висячей» сеткой (рис. 1.2) на управляющую сетку С1 надевается цилиндр, с помощью которого исходная коаксиальная линия 3, подключенная к катоду К и экранирующей сетке С2, разбивается на два отрезка коаксиальных линий 1 и 2, которые соответственно подключаются к зазорам K–С1 и С1–C2.
Отрезки коаксиальных линий 1 и 2 вместе с пространством связи 3 образуют колебательную систему. Настройка ее осуществляется плунжером 4. Длина цилиндра, закрепленного на сетке, подбирается такой, чтобы при резонансе обеспечивалось равенство амплитуд и противофазность напряжений на зазорах К–C1 и С1–С2. Однако на практике это условие трудно сохранить при перестройке и при изменении режима работы, на пример уровня входной мощности, так как не остаются постоянными реактивные составляющие электронной нагрузки, отнесенные к зазорам К–C1 и С1–C2. Подстройка осуществляется дополнительным плунжером 5.
Этих недостатков лишено оригинальное двухзазорное устройство, предложенное А. Д. Сушковым [2] (рис. 1.3). Оно представляет собой отрезок двухпроводной линии, внешний проводник которой имеет прямоугольное сечение, а внутренний проводник выполнен в виде полоски. Линия с одной стороны разомкнута, а с другой – закорочена и ведет себя как четвертьволновый резонатор.
К линии подсоединяется катод К, управляющая сетка С1 и экранная сетка C2. На управляющую сетку подается постоянное напряжение смещения 
, а на экранную сетку – напряжение 
. Развязка по постоянным напряжениям обеспечивается с помощью блокировочных конденсаторов 
. Если линия настроена в резонанс, то на зазорах K–C1 и C1–C2 устанавливаются одинаковые по величине и противоположные по направлению напряжения, так как исходная линия работает на волне ТЕМ. При подаче входной мощности в положительный период переменного напряжения на управляющей сетке C1 происходит отбор катодного тока, сопровождаемый ускорением электронного потока, на что затрачивается определенная энергия от источника сигнала. Далее электроны в зазоре C1–C2 попадают в тормозящее электрическое поле 
и отдают свою кинетическую энергию электромагнитному полю того же резонатора. При малых углах пролета суммарная энергия источника сигнала оказывается небольшой.
Отметим, что ни перестройка резонатора, ни изменения режима работы тетрода, например напряжения сигнала, не вызывают нарушения равенства и противофазности напряжений на зазорах K–С1 и C1–C2. Это является главным преимуществом данного типа входного устройства.
1.1.3. Параметры тетродного усилителя
Прежде чем переходить к описанию объекта исследования, рассмотрим параметры тетродного микроволнового усилителя. Как и усилители других типов, он характеризуется следующими параметрами:
– номинальной 
, выходной 
и входной 
мощностями;
– коэффициентом усиления по мощности 
;
– полосой пропускания частот, равной разности верхней 
и нижней 
рабочих частот 
на определенном уровне выходной мощности;
– коэффициентом полезного действия 
;
– коэффициентом нелинейных искажений, определяющим относительный уровень высших гармонических составляющих огибающей сигнала, которые появляются в нагрузке вследствие нелинейности анодно-сеточных характеристик, а также пролетных эффектов;
– фазовой стабильностью, определяющей изменение фазы выходного сигнала (в градусах) при изменении питающего (анодного) напряжения или входной мощности на 1 % от начальных значений.
Кроме того, усилитель характеризуется величинами питающих напряжений анодного 
, экранного 
, управляющей сетки 
и накала 
. Определим зависимость основных параметров тетродного микроволнового усилителя от углов пролета в междуэлектродных промежутках. Для этого воспользуемся известными аналитическими выражениями. Выходная мощность в общем случае определяется формулой
, (1.1)
где 
– амплитуда переменного анодного тока, возбуждающего выходной резонатор; 
– эквивалентное сопротивление нагруженного выходного резонатора; 
– коэффициент полезного действия выходного резонатора. Для нахождения амплитуды переменного анодного тока следует воспользоваться понятием комплексной крутизны
, (1.2)
где 
– амплитуда переменного напряжения на управляющей сетке; 
– комплексная крутизна, модуль которой 
равен
, (1.3)
где, в свою очередь, 
– крутизна тетрода; 
– статический угол пролета электронов в промежутке «анод–экранирующая сетка».
, (1.4)
В последней формуле: 
– круговая частота сигнала; 
– расстояние «анод – экранирующая сетка»; – напряжение источника анодного питания; 
– напряжение на экранирующей сетке. При работе с отсечкой анодного тока статическая крутизна заменяется средней крутизной 
, где 
– угол отсечки анодного тока. Аналогично можно найти зависимость входной мощности от углов пролета электронов в промежутках «катод – управляющая сетка» и «управляющая сетка – экранирующая сетка». Исходная формула для входной мощности имеет вид:
, (1.5)
где – амплитуда переменного напряжения на управляющей сетке; 
– активная входная проводимость.
Активная входная проводимость равна сумме электронной входной проводимости 
и проводимости потерь в резонаторе 
:
.
Для определения активной электронной проводимости можно воспользоваться зависимостями относительной активной входной проводимости от фиктивного угла пролета в промежутке «катод – управляющая сетка» (рис. 1.4).
(1.6)
и статического угла пролета в промежутке «управляющая сетка – экранирующая сетка»
(1.7)
Зная выходную и входную мощности, а также мощность источники анодного питания 
, можно вычислить коэффициент усиления по мощности
(1.8)
и коэффициент полезного действия по анодной цепи
, (1.9)
где 
– постоянная составляющая анодного тока, – напряжение источника анодного питания.
Кроме того, можно определить полный или промышленный КПД тетродного усилителя:
(1.10)
где, кроме известных величин, 
– мощность источника смещения в цепи управляющей сетки ( –напряжение смещения, 
– постоянная составляющая сеточного тока); 
– мощность источника постоянного тока в цепи экранирующей сетки (где – напряжение на экранирующей сетке, 
– постоянная составляющая тока в цепи экранирующей сетки).
1.2. Описание объекта исследования
В работе исследуется тетродный усилитель. Основу усилителя составляет металлокерамический тетрод малой мощности с плоской конструкцией электродов (рис. 1.5). Для обеспечения малых междуэлектродных расстояний К–С1 и С1–С2 (порядка 100 мкм) и равномерности электрического поля первая и вторая сетки в этом тетроде выполнены мелкоструктурными.
Для стабилизации междуэлектродных расстояний ячейки сетки имеют вид паркета. Такие сетки выполняются из тонкой металлической фольги методом фотохимического травления, при котором достигается высокая точность изготовления. Перемычки экранирующей сетки находятся в тени перемычек управляющей сетки и сделаны несколько тоньше для улучшения токопрохождения. Тетрод имеет дисковые выводы для подключения в объемные колебательные контуры. Охлаждение тетрода принудительное – воздушное.
Тетрод включается в колебательную систему, состоящую из входного двухзазорного резонатора и выходного коаксиального резонатора обычной конфигурации.
Входной контур 1 представляет собой полуволновый резонатор прямоугольного сечения. К нижней пластине подключен вывод катода К, к средней – вывод управляющей сетки C1 и к верхней пластине – вывод экранирующей сетки С2. Развязка по постоянным напряжениям обеспечивается с помощью слюдяных блокировочных конденсаторов . Боковые пластины находятся под потенциалом земли и к ним крепятся регулируемый высокочастотный ввод энергии емкостного типа 4 и дополнительный вывод 5 для контроля высокочастотного напряжения на зазоре К–С1. К выводу экранирующей сетки подключается через блокировочный конденсатор фланец выходного коаксиального четвертьволнового резонатора 2. Внутренний цилиндр этого резонатора подсоединен к аноду тетрода. Для передачи мощности в нагрузку предусмотрен регулируемый емкостной вывод энергии 3. Перестройка резонатора осуществляется короткозамыкающим плунжером 6 с подключенным к нему блокировочным конденсатором . Воздушное охлаждение тетрода осуществляется через штуцер 7.
1.3. Описание измерительной установки
Принципиальная схема измерительной установки приведена на рис. 1.6. В нее входит генератор высокочастотных сигналов с измерителем частоты, вентиль, служащий для обеспечения стабильной работы генератора при изменении его нагрузки, направленный ответвитель с коаксиальным двухплечевым переключателем и измерителем малой мощности для измерения уровней падающей и отраженной мощности во входном тракте. Далее следует исследуемый тетродный усилитель с двухзазорным входным устройством. Для измерения выходной мощности предусмотрен измеритель мощности калориметрического типа. Для контроля амплитуды высокочастотного напряжения на зазоре «катод – управляющая сетка» к усилителю подключен термисторный измеритель мощности. Необходимые постоянные напряжения и напряжения накала подаются на тетрод от блока питания [3].
1.4. Программа работы и указания к ее выполнению
В процессе работы необходимо выполнить следующие задания:
1. Снять статические анодно-сеточные и экранно-сеточные характеристики тетрода при разных анодных и экранирующих напряжениях.
2. Снять амплитудные характеристики: зависимости выходной мощности от уровня входной мощности – при разных анодных напряжениях, напряжениях на экранирующей сетке и напряжениях смещения. Одновременно фиксировать величины анодного тока, тока экранной и управляющей сеток, значения падающей и отраженной мощности во входном тракте, а также значения амплитуды высокочастотного напряжения на управляющей сетке.
3. Снять частотные характеристики тетродного усилителя, т. е. зависимости выходной мощности от частоты при постоянном уровне падающей мощности (для разных значений анодных напряжений и уровней входной падающей мощности во входном тракте). Одновременно фиксировать изменения токов в цепях электродов тетрода, значения падающей и отраженной мощности во входном тракте и значения амплитуды высокочастотного напряжения на зазоре «управляющая сетка – катод».
4. Используя полученные характеристики, определить зависимости коэффициента усиления и КПД усилителя от уровня входной мощности, а также полосу пропускания на половинном уровне от максимального значения выходной мощности для исследуемых режимов работы.
5. Пользуясь методикой, изложенной в теоретической части описания к лабораторной работе, вычислить значения выходной мощности, коэффициента усиления и КПД для режима максимальной мощности и сравнить их с экспериментально полученными значениями.
Порядок включения установки и проведения измерений определяется отдельной рабочей инструкцией к данной работе.
После проверки преподавателем знаний по основным теоретическим положениям работы и получения от него конкретного задания можно приступить к выполнению экспериментальной части.
1.5. Содержание отчета
Отчет должен содержать следующие материалы:
1. Принципиальную схему экспериментальной установки с указанием назначения отдельных узлов.
2. Схематическое изображение конструкции исследуемого тетродного усилителя с двухзазорным входным устройством,