Использование понятия электронной проводимости при анализе работы микроволновых генераторов и усилителей.

Эквивалентная схема, понятие электронной проводимости, определение амплитуды и мощности генерации. Сложные резонансные системы СВЧ для удобства рассмотрения и анализа обычно сводят к эквивалентной схеме параллельного контура. Это особенно удобно тогда, когда резонатор пронизывается электронным потоком, который можно представить в виде электронной проводимости, параллельно подключенной к контуру, что позволяет провести аналитическое рассмотрение условий возбуждения резонаторной системы электронным потоком, а также определить амплитуду и частоту установившихся колебаний.

Рассмотрим эквивалентную схему генератора СВЧ с промодулированным электронным потоком в резонаторной системе (рис 2.1). На схеме изображены контурная проводимость резонаторной системы , проводимость нагрузки и высокочастотная проводимость электронного потока (электронная проводимость) .

Рис. 2.1. Схемы генератора: а – полная эквивалентная; б – с нагрузкой, перенесенной к внутренним зажимам идеального трансформатора

Электронная проводимость характеризует электронный поток, промодулированный высокочастотным сигналом, и отличается от проводимости по постоянному току тем, что в общем случае выражается через отношение комплексных амплитуд наведенного тока и высокочастотного напряжения: .

Рассматриваемая эквивалентная схема параллельного включения активных и реактивных элементов справедлива в узкой полосе частот, охватывающей резонансную частоту резонатора, включенного по схеме двухполюсника. Для удовлетворения амплитудного условия самовозбуждения активная электронная проводимость должна быть отрицательной и по абсолютному значению превышать полную проводимость, приближаясь к ней по мере увеличения амплитуды U_m (рис. 2.2,а). Из рисунка видно, что на участке малых высокочастотных напряжений отрицательная электронная проводимость по абсолютному значению превышает проводимость потерь в контуре и нагрузке.

Рис. 2.2. Характеристики генератора с «мягким» самовозбуждением

Точка А на рис. 2.2,а соответствует режиму устойчивых колебаний с амплитудой генерации U_mген и выходной мощностью генератора.

Падающая зависимость отрицательной электронной проводимости от амплитуды высокочастотного напряжения, представленная на рис. 2.2,а, характерна для генератора с «мягким» самовозбуждением, у которого мощность генерации плавно нарастает при увеличении параметров электрического питания от стартовых до рабочих значений (рис. 2.2,б). Пусковому значению тока генератора с «мягким» самовозбуждением соответствует кривая электронной проводимости, изображенная на рис. 2.2,а штриховой линией.

На рисунке 2.3 приведено семейство характеристик электронных проводимостей магнетронного генератора для различных значений анодного напряжения. Видно, что в этом случае баланс активных мощностей может выполняться при двух значениях U_m. Так, при анодном напряжении U_а3условие = 0 удовлетворяется в точках 1 и 5, однако точка 1 не является точкой устойчивых колебаний, т.к. уменьшение амплитуды U_m < U_m1приводит к срыву колебаний, а при увеличении амплитуды U_m > U_m1колебания нарастают до значения U_m5 в точке 5. Поэтому точка 5, расположенная на падающем участке характеристики, является точкой устойчивых колебаний.

Рис. 2.3. Характеристики генератора с «жестким» самовозбуждением

Амплитуда U_m3определяет мощность срыва автоколебаний генератора при уменьшении анодного напряжения: .

Если значение U_m2соответствует такой амплитуде, которая обеспечивается в магнетроне под действием факторов, не связанных с основным механизмом взаимодействия, например, за счет шумовых колебаний или нестационарных процессов, возникающих в момент включения и т.д., то при достижении анодным напряжением значения U_a2магнетрон возбуждается и его выходная мощность скачком возрастает до .

Таким образом, мощность возникновения генерации оказывается больше мощности срыва колебаний (рис. 2.3,б). Такое явление получило название электронного гистерезиса. Электронный гистерезис наблюдается в магнетронах непрерывного генерирования при изменении анодного напряжения и в отражательных клистронах на краях зон генерации при изменении напряжения отражателя.