Эквивалентные схемы генератора и их анализ

⇐ ПредыдущаяСтр 5 из 12Следующая ⇒

Элементы корпуса диода и реактивность кристалла формируют так называемый собственный контур диода, резонансная частота которого может быть близка к рабочей частоте . В бескорпусном диоде роль элементов корпуса выполняют локальные неоднородности узла крепления. Внешняя цепь подключается к диоду через ёмкость корпуса . Поэтому даже при простейшей эквивалентной схеме внешней цепи в виде реактивности с потерями эквивалентная схема генератора в целом оказывается двухконтурной, = .

Рисунок 12.18. Двухконтурная эквивалентная схема автогенератора на ДГ

В типовых конструкциях генераторов основа внешней цепи – отрезок линии передачи, закороченный на конце и работающий на первом – либо одном из высших обертоне. При этом длина резонансной системы

(

- длина волны в линии;

- номер обертона). В этом случае входное сопротивление отрезка линии можно приближенно представить сопротивлением последовательного резонансно контура, параметры которого для линии с дисперсией следующее:

;

, (12.1)

где - резонансная частота эквивалентного контура; - его эквивалентное характеристическое сопротивление; - длина волны в свободном пространстве с заданным на частоте ; - нагруженная добротность контура. При использовании прямоугольного волновода

; , (12.2)

где α – ширена, - высота волновода.

Двухконтурная эквивалентная схема автогенератора не ДГ (рис. 12.18) достаточно хорошо описывает коаксиальные и полосковые конструкции генераторов в условиях, когда не заметной конкуренции между соседними обертонами за контроль над колебаниями. Собственные частоты колебательной системы, определяющие с точностью до небольшой поправки возможные частоты генерации, находятся из соотношения

, (12.3)

где - нормированная относительная рассторойка - го контура; - коэффициент связи - го контура на его резонансной частоте .

Обычно связь двух контуров через общую ёмкость достаточно сильна, что было можно полагать обобщенную расстройку каждого из них относительно частоты колебаний много больше единицы. В этом случае входное сопротивление колебательной системы на зажимах отрицательной проводимости на рабочей частоте можно представить в виде

Рисунок 12.19. Четырехконтурная эквивалентная схема автогенератора волновой конструкции

(12.4)

где - резонансное сопротивление собственного контура диода на зажимах отрицательной проводимости; - отношение сопротивлений потерь двух контуров.

Коэффициент полезного действия колебательной системы

(12.5)

Здесь первый сомножитель в квадратной скобке учитывает КПД эквивалентного контура с сопротивлением собственных потерь , собственной добротностью и внешней добротностью , а второй – потери мощности .

Как правило, в полосу частот в пределах которой диода Ганна обеспечивают эффективную регенерацию, попадают несколько резонансов колебательной системы. Поэтому достаточно полное описание генератора достигается лишь при учете в эквивалентной схеме трёх – пяти контуров. Это особенно необходимо для волноводных конструкций, где влияние дисперсии существенно снижает частоты соседних обертонов и, кроме того добавляются резонансные моды на волне типа Т между штырем, крепящим диод в волноводе, и узкими стенками волновода.

Если ограничится учетом собственного контура диода (контур I) двух соседних обертонов волноводного резонатора (контуры II, III) и «квазикоаксиального» резонанса узла крепления диода (IV), приходим к четырехконтурной эквивалентной схеме генератора (рис. 12.19). Эквивалентная схема активного элемента здесь представляет собой параллельное соединение проводимостей. Поэтому схема непосредственно описывает процессы в автогенераторе на ДГ. Полезной нагрузкой на рисунке 12.19 служит сопротивление Z_н равное входному сопротивлению тракта нагрузки в плоскости включения диода. В отсутствие трансформирующих элементов Z_нравно характеристическому сопротивлению . Элементы , обведенные штриховой рамкой, образуют Т- образную схему замещения штыря в волноводе. Значение сопротивлений и этих элементов зависит от частоты (рис. 12.20), диаметр штыря и сечения волновода.

Переменные, относящиеся к собственному контуру диода, отмечены далее индексом 1.

Резонансная частота и эквивалентные характеристики сопротивления парциальных контуров II и III, описывающих колебания на обертонах волны , находятся из соотношений (12.1), (12.2). Пример – рис. 12.21.

Для расчета сопротивлений собственных потерь резонатора , следует задать значение на соответствующей частоте и использовать стандартное выражение

(12.6)

Добротность зависит от потерь в короткозамыкателе и узле крепления диода, качества обработки и высоты волновода, диапазона частот. Поэтому возможный интервал её значений очень широк. В качестве ориентировочной для колебаний типа можно принять на частотах 10 ГГц при , полагая, что зависит от и .

Параметры контура IV, отображающего резонанс узла крепления диода, рассчитывают, как для обычного коаксиального резонатора с волновым сопротивлением:

. (12.7)

На основном тоне «квазикоаксиального» резонанса . На первом обертоне . Если узел крепления включает коаксиальный стакан, необходимо понимать полную длину (высоту) узла крепления между двумя плоскостями замыкания цепи по высокой частоте. Для основного тона квазикоаксиального резонанса коэффициент связи велик: . Поэтому при приходится учитывать именно этот тип колебаний.

Для первого обертона квазикоаксиального резонанса рассчитывается по формуле (21.1), а зависит от размещения ёмкостного зазора по высоте штыря. Если обозначить через расстояние от середины зазора до ближайшей стенки волновода, для штыря постоянного диаметра при и при . При справедлива приближенная формула

. (12.8)

При конструирование генератора следует добиваться неравенства . Собственная добротность квазикоаксиального контура обычно порядка 100…300. Конкретное значение существенно зависит от утечки энергии через ФНЧ.

Контуры II и III, отображающие волноводные резонансы, связаны не только через общую ёмкость , но также через элементы эквивалентной схемы штыря, формирующие сопротивление связи .

Далее эта дополнительная связь для простоты не учитывается.

Одна из особенностей волновой конструкции генератора состоит в том, что здесь полезная нагрузка шунтирует сразу все парциальные контуры. Для контуров I и IV эквивалентной схемы на рис. 12.19 вносимое сопротивление потерь находят, преобразуя цепь на рис. 12.22, а в последовательное соединение. Для контуров II и III аналогичная задача решается преобразование на рис. 12.22б.

Нередко возникает ситуация, когда на рабочей частоте , основной контур отключен от нагрузки. В этом случае энергия в нагрузку передаётся из других контуров, представленных на эквивалентной схеме.

Полное сопротивление потерь - го контура

. (12.9)

Часто связи колебательной системы находят из уравнения

. (12.10)

Сопротивление нагрузки на зажимах отрицательной проводимости на выбранной частоте связи определяется выражением , (12.11)

где . Под здесь понимается сумма согласно (12.9), так что, например, и .

Генератор «выбирает» ту из частот связи, которая обеспечивает наибольший фактор регенерации. Поэтому иногда нельзя ограничиваться расчетом лишь на желательной частоте.

Результирующий КПД колебательной системы

, (12.12)

где -отношение , определяемого по (12.11), к значению в условиях, когда все коэффициенты , кроме , полагаются равные нулю.

В трех сантиметровом диапазоне оптимальная высота диапазона составляет 4…6 мм. Если нет необходимости учитывать все четыре резонанса можно упростить расчетное выражение, пологая расстройку «лишних» контуров бесконечно большой.

Коэффициент полезного действия АГ можно несколько увеличить, обеспечивая оптимальную нагрузку диода на второй гармоники. Для этого в конструкцию автогенератора включают дополнительный резонатор, настроенный на частоту .

⇐ Предыдущая 1 2 3 456 7 8 9 10 Следующая ⇒