Реферат Основные принципы генерирования электромагнитных волн

Поможем написать учебную работу

Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.

Предоплата всего

от 25%

Подписываем

договор

Имя

Выберите тип работы:

Курсовая работа Дипломная работа Контрольная работа Реферат Отчет по практике Эссе Доклад Решение задач Научно-исследовательская работа Монография Аспирантский реферат Магистерская работа Научная статья Публикация статьи в ВАК Публикация статьи в Scopus Дипломная работа MBA Бизнес-план Тест/экзамен online Чертеж Рецензия

Принимаю Политику конфиденциальности

Продолжить

Скидка 25% при заказе до 8.11.2024

	[Год]
	[Введите название организации] Directx

[Введите название документа]

[Введите аннотацию документа. Аннотация обычно представляет собой краткий обзор содержимого документа. Введите аннотацию документа. Аннотация обычно представляет собой краткий обзор содержимого документа.]

ГЛАВА 1. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ГЕНЕРИРОВАНИЯ И УСИЛЕНИЯ ВЧ И СВЧ КОЛЕБАНИЙ

1.1. Классификация и физический механизм работы ВЧ и СВЧ генераторов

Основное назначение генератора состоит в преобразовании энергии источника постоянного тока в энергию ВЧ или СВЧ колебаний. Генераторы подразделяются на два основных типа:

- автогенераторы, работающие в режиме самовозбуждения или автоколебаний, частота которых определяется параметрами самого устройства;


- генераторы с внешним возбуждением, работающие в режиме усиления входного сигнала по мощности или умножения его частоты (рис. 1.1).
Рис. 1.1. Основные типы генераторов

В обоих типах генераторов используются одни и те же типы электронных приборов и физические принципы их работы можно рассматривать в рамках общей теории.

Известно большое число разнообразных электронных приборов - электровакуумных и полупроводниковых, применяемых в генераторах. В основе работы всех типов электронных приборов лежит общий физический принцип: взаимодействие потока движущихся носителей заряда с электромагнитным полем. Различие состоит в разном характере этого взаимодействия и в способах управления потоком носителей заряда. Основные электронные приборы, используемые в генераторах:

-  электровакуумные приборы (триоды, тетроды и др.);

-  полупроводниковые приборы (транзисторы биполярные и полевые, диоды (туннельные, диоды Ганна и лавинно-пролетные));

-  клистроны;

-  лампы бегущей волны;

-  приборы магнетронного типа.

Работу различных типов электронных приборов объединяет физический принцип взаимодействия потока носителей заряда (сокращенно - потока) с электромагнитным полем (сокращенно - полем).

1.2. Генератор на электровакуумном приборе

Принцип устройства генератора с триодом приведен на рис. 1.2. Поток носителей зарядов (электронов) движется в приборе от катода к аноду, проходя сквозь управляющую сетку.

Управление этим потоком - электростатическое, с помощью сигнала, приложенного к сетке. Ток прибора возбуждает электромагнитное поле в колебательном контуре, включенном в анодную цепь триода. В генераторе следует выполнить соотношение , где  - частота сигнала, - время пролета электронов.
Рис. 1.2. Устройство генератора с триодом

1.3. Генератор на биполярном транзисторе

В приборе, состоящем из двух р-п-переходов, происходит перенос, как основных носителей заряда, так и неосновных. Управление током прибора осуществляется за счет заряда неосновных носителей заряда (в транзисторе типа n-р-n ими являются электроны), накапливаемых в области базы. С помощью входного сигнала, приложенного между базой и эмиттером, происходит управление этим процессом. Затем под действием постоянного напряжения носители из области базы переносятся к коллектору, возбуждая электромагнитное поле в колебательном контуре, включенном в коллекторную цепь транзистора. В транзисторном генераторе следует выполнить соотношение: , где  - частота сигнала  - время переноса носителей заряда из области базы к коллектору.

Рис. 1.3. Устройство генератора на биполярном транзисторе

1.4. Генератор на полевом транзисторе

В полевом транзисторе происходит перенос только основных носителей заряда (обычно ими являются электроны) - от истока к стоку. Управление током в приборе осуществляется за счет воздействия электрического поля на поток основных носителей заряда, движущихся в полупроводниковом канале. Это управляющее поле, создаваемое внешним сигналом возбуждения, приложенным к затвору, направлено перпендикулярно потоку. Как и в предыдущем случае, в генераторе с полевым транзистором следует выполнить условие: , где  - частота сигнала;  - время переноса носителей заряда от истока к стоку.


Рис. 1.4. Устройство генератора на полевом транзисторе

1.5. Генератор на диоде

Среди полупроводниковых диодов, используемых в схемах ВЧ и СВЧ генераторов можно выделить: туннельный диод; диод Ганна и лавинно-пролетный диод. Эквивалентные модели этих приборов можно представить в виде нелинейной реактивной и отрицательной активной проводимости. Благодаря последней, при подключении такого прибора к резонатору, возможна генерация или усиление СВЧ колебаний с частотой, определяемой из соотношения , где  - время пролета носителей заряда - электронов или дырок - в пролетной части полупроводниковой структуры.

1.6. Клистронный генератор

Клистрон используется только в СВЧ диапазоне. В нем имеется два резонатора - входной, к которому подводится сигнал возбуждения, и выходной, с которого снимается сигнал, усиленный по мощности. Носители заряда - электроны - движутся в приборе от катода к коллектору, к которому приложено постоянное напряжение. Проходя сквозь зазор входного резонатора, поток электронов модулируется по скорости. Затем в пространстве дрейфа прибора, расположенном между резонаторами, происходит преобразование одного вида модуляции потока по скорости в другой - по плотности. Усиленный по мощности поток электронов, проходя сквозь зазор выходного резонатора, возбуждает в нем электромагнитное поле. В клистронном генераторе взаимодействие потока с полем, происходящее в зазоре резонатора, носит кратковременный характер, но время пролета носителей от катода к коллектору , относительно велико. Поэтому значение параметра . Помимо двухрезонаторного выпускаются многорезонаторные клистронные генераторы, имеющие больший коэффициент усиления по мощности.

1.7. Генератор на лампе бегущей волны

В лампе бегущей волны (ЛБВ) электромагнитная волна со скоростью света движется вокруг специальной спирали - замедляющей структуры, возбуждаемой СВЧ сигналом. Внутри спирали от катода к коллектору движется поток носителей заряда - электронов - со скоростью ,. Фазовая скорость  электромагнитной волны, вектор которой направлен вдоль спирали, на порядок меньше скорости света.

При этом добиваются следующего примерного равенства , благодаря чему происходит взаимодействие потока электронов с электромагнитной волной, движущейся в прямом направлении, которая увеличивает свою энергию по мере распространения. Увеличенный по мощности СВЧ сигнал снимается с противоположного от входа конца спирали. Существует несколько разновидностей ЛБВ, в том числе и такие, в которых взаимодействие потока электронов происходит не с прямой, а с обратной электромагнитной волной. Подобные приборы называются лампами с обратной волной (ЛОВ). В ЛБВ и ЛОВ имеет место длительное, непрерывное взаимодействие потока с полем и относительно большое время пролета носителей  от катода к коллектору. Поэтому у этих приборов, как и у клистрона, значение параметра . Анализ работы различных электронных приборов позволяет выделить общие черты, свойственные всем типам ВЧ и СВЧ генераторов.

1.8. Время взаимодействия носителей заряда с

электромагнитным полем

Как указывалось выше, в основе работы всех типов электронных приборов лежит общий физический принцип: взаимодействие потока движущихся носителей заряда с электромагнитным полем. Обозначим время этого взаимодействия через . Так, в биполярном транзисторе под  следует понимать время переноса неосновных носителей заряда от эмиттера к коллектору, в полевом транзисторе - время переноса основных носителей заряда от истока к стоку, в электровакуумных лампах - время движения электронов от катода к аноду, в СВЧ лампах бегущей волны - время движения электронов вдоль спирали от катода к коллектору и т.д. В зависимости от обобщенного параметра , где  - частота сигнала, электронные генераторные приборы можно разделить на три основные группы: 1) ; 2) ; 3) .

ВЧ генераторные приборы - электровакуумные приборы и транзисторы - относятся к первой группе; СВЧ полупроводниковые генераторные диоды - лавинно-пролетные и Ганна - ко второй, СВЧ электровакуумные приборы - к третьей. В приборах первой группы при нарушении соотношения , т.е. при частоте , резко уменьшается их выходная мощность, коэффициент усиления и КПД. Этот недостаток преодолен в приборах третьей группы. Благодаря увеличению , т.е. длительному взаимодействию потока с полем, мощность СВЧ электровакуумных приборов существенно превышает мощность СВЧ полупроводниковых генераторов. Если удастся создать полупроводниковые структуры, в которых значение  будет увеличено без снижения частоты колебаний , то мощность полупроводниковых генераторов будет повышена.

1.9. Принцип синхронизма и фазировки носителей заряда с электромагнитным полем

1.10. Мощность взаимодействия носителей заряда с электромагнитным полем

где  - постоянная составляющая тока;  - напряжение источника питания генератора.

                            (1.3)

где  — комплексно-сопряженная амплитуда 1-й гармоники тока,  - комплексная амплитуда напряжения.

,

где  - фазовый угол между двумя векторами (рис. 3.8).

При  поток носителей зарядов отдает мощность электромагнитному полю или электронный прибор - электрической цепи.

При , наоборот, поле отдает мощность потоку зарядов и поэтому колебания в устройстве затухают, или вообще не возникают.

Неравенство  соблюдается при , т.е. при выполнении условия фазировки. Мощность 1-й гармоники сигнала, передаваемая в активную нагрузку:

,                               (1.4)

где  - разность фаз согласно рис. 1.7.

В выражении (3.3) реактивная составляющая мощности взаимодействия  характеризует обмен энергией между потоком и полем по 1-й гармонике сигнала или между электронным прибором и электрической цепью.

                                                       (1.5)

Глава 2. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ВЧ ГЕНЕРАТОРА С ВНЕШНИМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ

2.1. Обобщенная схема генератора с внешним возбуждением и ее анализ

Назначение электрических цепей состоит в согласовании входного и выходного сопротивлений электронного прибора соответственно с источником возбуждения и нагрузкой и в фильтрации высших гармоник сигнала. Электронный прибор может быть представлен в виде генератора тока , имеющего внутреннюю проводимость  входного  и выходного , сопротивлений (рис. 2.1,б). Все эти элементы являются нелинейными и частотно-зависимыми. Конечная цель анализа работы ВЧ генератора (см. рис. 2.1,а) при подаче на его вход одночастотного сигнала  состоит: в определении его энергетических параметров - выходной колебательной мощности ВЧ сигнала, поступающего в нагрузку, ; мощности потребления по постоянному току от источника питания ; коэффициента полезного действия (КПД) , коэффициента усиления по мощности , где  - мощность входного источника сигнала;

определение условий оптимального режима работы ВЧ генератора согласно определенному критерию. Такими критериями могут являться: максимум колебательной мощности в нагрузке  максимальный КПД , максимальный коэффициент усиления по мощности , минимум искажений, вносимых усилителем в сигнал, максимальная ширина полосы пропускания;

- разложение в ряд Фурье согласно (4.5) полученной несинусоидальной зависимости для тока  эквивалентного генератора электронного прибора (см. рис. 2.1,б);

-определение напряжения на выходе электронного прибора; определение выходной мощности 1-й гармоники  поступающей в нагрузку;

- определение потребляемой мощности  от источника постоянного тока и КПД генератора;

- анализ входной цепи ВЧ генератора, определение мощности входного сигнала , и коэффициента усиления генератора по мощности ,

2.2. Баланс мощностей в ВЧ генераторе

В выходной цепи происходит преобразование энергии источника постоянного тока мощностью  в энергию высокочастотных колебаний мощностью . Поэтому для нее баланс мощностей имеет вид

,                                                    (2.1)

где  - мощность, рассеиваемая в виде тепла в электронном приборе (в лампе - на аноде, в биполярном транзисторе - на коллекторе, в полевом - на стоке).

Мощность рассеивания можно определить как разность  или с помощью определенного интеграла:

,                                             (2.2)

где ,  - ток и напряжение на выходе электронного прибора.  Во входной цепи первичным источником является высокочастотный генератор с ЭДС  (см. рис. 2.1,а), отдающий ВЧ генератору мощность . Поэтому во входной цепи баланс мощностей имеет вид

                            ,                                     (2.3)

где  - мощность, передаваемая источнику постоянного тока во входной цепи, если таковой имеется;  - мощность, рассеиваемая в виде тепла в электронном приборе (в лампе - на управляющей сетке, в биполярном транзисторе - в базе, в полевом - на затворе).

Суммарная мощность тепла, рассеиваемая в электронном приборе, согласно (2.1) и (2.3) запишется в виде . Значение  не должно превышать максимально допустимую мощность рассеивания электронного прибора, указываемую в его паспорте.

2.3. Динамические характеристики ВЧ генератора и максимально отдаваемая им мощность

Любой генератор отдает максимальную мощность в нагрузку при выполнении определенного условия. Из курса электротехники известно, что генератор с ЭДС  и внутренним сопротивлением ; при  и  отдает в нагрузку максимальную мощность, равную , при  (рис. 2.3). Мощность  называется номинальной мощностью генератора.

В ВЧ генераторах оба параметра ( и ), зависящие от многих факторов, не являются постоянными величинами, и поэтому здесь условие получения максимальной мощности, передаваемой генератором в нагрузку, усложняется и вытекает из понятия «динамическая характеристика генератора по 1-й гармонике сигнала». Пусть в результате эксперимента или расчета найдены зависимости для функций напряжения  и тока , на выходе электронного прибора. Пример графиков таких функций приведен на рис. 4.4,а,б. Из двух данных зависимостей, исключив время t, можно получить третью , называемую динамической характеристикой ВЧ генератора для мгновенных значений тока и напряжения (рис. 4.4,в).

Разложив в ряд Фурье семейство функций  и , определим первые гармоники тока  и напряжения . Зависимость  называется динамической характеристикой по 1-й гармонике сигнала. Пример такой характеристики приведен на рис. 4.5,г. С ее помощью определим условия передачи максимальной мощности от генератора в нагрузку. Функция  является нелинейной, зависящей от частоты и мощности входного сигнала и напряжения питания. Зафиксируем данные параметры и запишем для мощности, передаваемой генератором в нагрузку:

,                                      (2.4)

где  - динамическая характеристика ВЧ генератора по 1-й гармонике сигнала (см. рис. 2.5, г);  - фазовый угол между векторами  и .

,                      (2.5)

Из (4.5) при  получим

.                                                   (2.6)

На графике функции  (см. рис. 2.5,г ) условию (2.6) передачи максимальной мощности от генератора в нагрузку соответствует точка А, режиму короткого замыкания - точка В, холостого хода - точка С. Раскроем физическое содержание выражения (2.6). Под отношением

,

где  - проводимость нагрузки, подключенной к выходу электронного прибора, на частоте 1-й гармоники сигнала.

-точках динамической характеристики определить значения ее координат  и  и производную  как тангенс угла касательной в этой точке. Далее согласно (4.6) построим два графика:

.

Точка пересечения данных графиков определяет условия получения максимальной мощности  отдаваемой ВЧ генератором в нагрузку. Чтобы убедиться в этом, следует построить график зависимости .  Пример таких построений приведен на рис. 2.5. На рисунке показаны зависимости  (см. рис. 2.5,а),  и  (см. рис. 2.5,б),  (см. рис. 2.5,в).

2.4. Нагрузочные, амплитудные и частотные характеристики ВЧ генератора

Помимо динамической характеристики работа ВЧ генератора определяется еще тремя видами характеристик: нагрузочной, амплитудной и частотной. Нагрузочные характеристики ВЧ генератора есть зависимости его выходных электрических параметров: колебательной мощности  потребляемой  и мощности рассеивания в электронном приборе  амплитуд первых гармоник тока  и напряжения  постоянной составляющей тока  и КПД  от сопротивления нагрузки генератора . С их помощью можно выбрать оптимальный режим работы генератора по различным критериям (например, получению максимального КПД) и определить влияние изменения нагрузки (например, влияние входного сопротивления антенны) на выходные параметры ВЧ гeнератора.  Примеры таких характеристик приведены на рис. 2.6.

Рис. 2.6. Нагрузочные характеристики ВЧ генератора

Амплитудные и частотные характеристики ВЧ генератора. При подаче на вход ВЧ генератора синусоидального сигнала , сигнал на его выходе или нагрузке (см. рис. 2.1, а) имеет вид  , т.е. отличается от входного амплитудой сигнала и фазой. Амплитудные характеристики есть зависимости амплитуды и фазы выходного сигнала от амплитуды входного сигнала:

; .

Пример таких характеристик приведен на рис. 2.7.


Рис. 2.7. Амплитудные  характеристики ВЧ генератора

С помощью амплитудных характеристик, определяемых в одночастотном режиме работы, можно, например, рассчитать выходной комбинационный спектр при многочастотном входном сигнале. Частотные характеристики есть зависимости номинального коэффициента усиления по мощности ВЧ генератора  и фазы выходного сигнала от частоты входного сигнала:

; .

Данные характеристики определяют частотные свойства ВЧ генератора. Пример амплитудно-частотной характеристики приведен на рис. 4.8. С помощью данной характеристики, построенной в одночастотном режиме работы, можно определить прохождение через усилитель широкополосных сигналов, а также использование ВЧ генератора в диапазонных радиопередатчиках без перестройки электрических согласующих цепей.
Рис. 4.8. Частотные характеристики ВЧ генератора

2.5. Согласование электронного прибора с источником возбуждения и нагрузкой и номинальный коэффициент усиления по мощности ВЧ генератора

Номинальный коэффициент передачи или усиления по мощности ЧП. Структурная схема ВЧ усилителя состоит из трех каскадно соединенных ЧП (см. рис. 2.1, а). Рассмотрим, как передается мощность сигнала через один отдельно взятый ЧП (рис. 2.9, а). Параметром, количественно оценивающим данный процесс, является номинальный коэффициент передачи или усиления ЧП по мощности, равный отношению активной мощности, переданной в нагрузку  к номинальной мощности высокочастотного источника возбуждения:

,                                                                    (2.7)


где        -       номинальная мощность источника возбуждения с амплитудой   и внутренним комплексным сопротивлением , где  - действительная, активная часть этого сопротивления.
Рис. 2.9. Передача  мощности сигнала через один отдельно взятый ЧП

В активном четырехполюснике, т.е. содержащем электронный прибор усилительного типа, можно получить значение . В реактивном ЧП, т.е. содержащем только реактивные элементы - конденсаторы и индуктивности - значение , поскольку такой ЧП не может усиливать сигнал по мощности. При реактивном ЧП в случае  имеет место оптимальное согласование источника возбуждения с нагрузкой, при котором номинальная мощность полностью, без потерь поступает в нагрузку.

В случае прямого присоединения нагрузки к генератору (рис. 2.10) для коэффициента передачи мощности с учетом (2.7) получим

                .              (2.8)

Пример. При  и  согласно (4.8) получим . Максимальное значение  в схеме на рис. 2.10 имеет место при выполнении условия

,                                                     (2.9)

т.е. когда сопротивления являются комплексно сопряженными (их действительные части равны, а реактивные части равны по модулю и противоположны по знаку). При расчете коэффициента  в схеме с реактивным ЧП (см. рис. 2.9,а) можно воспользоваться эквивалентной схемой, приведенной на рис. 2.9,б, где  - входное сопротивление ЧП, нагруженного на сопротивление . Значение  в схеме на рис. 2.9,б рассчитывается по формуле (2.8) путем замены  на . Номинальный коэффициент усиления по мощности ВЧ генератора. В ВЧ генераторе (см. рис. 2.1,а) два ЧП (входная и выходная согласующие цепи) являются реактивными, а средний (с электронным прибором) - активным. Для всего соединения в целом – трех каскадно включенных ЧП - номинальный коэффициент усиления генератора можно представить в виде произведения трех множителей:

                             (2.10)

где  - коэффициент передачи по мощности входной согласующей цепи;  - собственный коэффициент усиления электронного прибора (лампы или транзистора);  - коэффициент передачи по мощности выходной согласующей цепи.  Согласно (2.10) для получения максимально возможного коэффициента усиления ВЧ генератора с внешним возбуждением недостаточно иметь высокое значение данного параметра у самого электронного прибора: необходимо также оптимально согласовать входное сопротивление этого прибора с внутренним сопротивлением источника возбуждения, а выходное - с сопротивлением нагрузки. Для решения данной задачи необходимо знать входное  и выходное  сопротивления электронного прибора (см. рис. 2.1,б) и произвести их оптимальное согласование соответственно с внутренним сопротивлением источника возбуждения  и нагрузкой , т.е. выполнить условие (2.9).
Рис. 2.10 .
При этом схему ВЧ генератора (см. рис. 2.1,а) можно представить в виде двух частей: для входной и выходной цепей (рис. 2.11).




Рис. 2.11. Входная и выходная части согласующей цепи

Согласно обозначениям, приведенным на рис. 2.11, условиями оптимального согласования для входной и выходной согласующих цепей является выполнение соответственно следующих равенств:

; .                                        (2.11)

При выполнении условий (2.11) значения коэффициентов передачи входной и выходной согласующих цепей  и  и коэффициент усиления ВЧ генератора (2.10) принимает максимальное значение , определяемое только электронным прибором.
Выводы по главе:
1. Именно в фильтрации несинусоидального сигнала, выделении из него 1-й гармоники сигнала и преобразовании его вновь в синусоидальный сигнал и состоит метод гармонической линеаризации, лежащий в основе анализа ВЧ генератора. Сам анализ включает в себя:

- определение с помощью ВАХ электронного прибора формы тока на его выходе при подаче на вход синусоидального сигнала;

- разложение в ряд Фурье согласно (4.5) полученной несинусоидальной зависимости для тока  эквивалентного генератора электронного прибора (см. рис. 4.1,б);

-определение напряжения на выходе электронного прибора; определение выходной мощности 1-й гармоники  поступающей в нагрузку;

- определение потребляемой мощности  от источника постоянного тока и КПД генератора;

- анализ входной цепи ВЧ генератора, определение мощности входного сигнала , и коэффициента усиления генератора по мощности ;

- выбор схемы и расчет выходной и входной согласующих электрических цепей ВЧ генератор.

Список литературы

1. Радиопередающие устройства, Учебник для ВУЗов/Под редакцией В.В. Шахгильдяна - М.: Радио и связь, 2003.-560 с.

2. Проектирование радиопередатчиков: Учебное пособие для вузов/Под редакцией В.В. Шахгильдяна, - М.: Радио и связь, 2003.-656 с.

3.                     Устройства генерирования и формирования радиосигналов/Под редакцией Г.М. Уткин, В.Н. Кулешова и М.В. Благовещенского,- М.: Радио и связь, 1994.

4.                     Каганов В.И. Радиопередающие устройства: Учебник для сред. проф. Образования. М.: ИРПО: Изд. Центр <Академия>, 2002.-188 с.

5.                     Каганов В.И. Радиотехника + компьютер + Matcad. – М.: Горячая линия – Телеком, 2001. - 416 с.

6.                     Карлащук В.И. Электронная лаборатория на IBM PC. Программа Electronics Workbench и ее применение. М.: Солон-Р, 2000.-506 с.

7.     http://do.sssu.ru/virt/library/uchebnik/elec/progelf.html

8.     http://www.radioscanner.ru/info/glossary/am

9.     В.П. Бакалов, А.А. Игнатов, Б.И. Крук. Основы теории электрических цепей и электроники: Учебник для высших учебных заведений.- М.: Радио и связь, 1989. - 525 с.

 И.С. Гоноровский. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник