Генератор электрических колеба­ний

ГЕНЕРАТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ, устройство, преобразующее различные виды электрической энергии (например, источников постоянного напряжения или тока) в энергию электрических (электромагнитных) колебаний. Термин «генератор электрических колебаний» чаще всего относится к автогенераторам (генераторам с независимым возбуждением), в которых частота и форма возбуждаемых автоколебаний определяются свойствами самого генератора. Генераторы  электрических колебаний с посторонним возбуждением представляют собой усилители мощности электромагнитных колебаний, создаваемых задающим генератором.

Необходимые элементы генератора электрических колебаний: источник энергии; пассивные цепи, в которых возбуждаются и поддерживаются колебания; активный элемент, преобразующий энергию источника питания в энергию генерируемых колебаний, обычно в сочетании с управляющими дополнительными цепями (цепями обратной связи). В зависимости от требуемых характеристик в генераторах электрических колебаний используют разнообразные элементы. Для возбуждения колебаний в диапазонах НЧ и ВЧ служат колебательные контуры, электрические фильтры и другие цепи с сосредоточенными параметрами (ёмкостью, индуктивностью, сопротивлением), а в качестве активных элементов - электронные лампы, транзисторы, туннельные диоды, операционные усилители и др. В генераторах электрических колебаний СВЧ применяют главным образом цепи с распределёнными параметрами, включающие объёмные резонаторы, замедляющие системы, полосковые и коаксиальные линии, волноводы, а также открытые резонаторы. Активные элементы СВЧ чаще всего совмещены с пассивными цепями и представляют собой, как правило, электровакуумные (СВЧ-триод, магнетрон, клистрон, лампа обратные волны и др.) или твердотельные (СВЧ-транзистор, диод Ганна, лавинно-пролётный диод, туннельный диод) приборы. В оптических квантовых генераторах (лазерах) применяют различные виды открытых резонаторов и активную среду, преобразующую энергию источника питания (энергию «накачки») в энергию электромагнитных колебаний.

Возбуждение автоколебаний в генераторах электрических колебаний начинается с возникновения начальных колебаний в каком-либо элементе при включении источника питания, замыкании цепей, вследствие электрических флуктуаций и тому подобное. Благодаря цепи обратной связи энергия этого колебания поступает в активный элемент и усиливается в нём. Колебания в генераторах электрических колебаний нарастают, т. е. происходит самовозбуждение генератора, если мощность, передаваемая колебаниям активным элементом от источника питания, больше мощности потерь во всех элементах генератора электрических колебаний (включая мощность, отдаваемую в нагрузку). Если потери энергии превышают поступление, колебания затухают. Энергетическое равновесие, соответствующее стационарному режиму генератора электрических колебаний, осуществимо лишь при наличии у элементов системы нелинейных свойств. В противном случае в генераторе электрических колебаний могут возбуждаться либо нарастающие, либо затухающие колебания, и генерирование стационарных электрических колебаний невозможно.

Вид возбуждаемых колебаний, их частотный спектр существенно зависят от частотных свойств пассивных цепей и активного элемента генератора электрических колебаний. Если цепи, в которых возбуждаются и поддерживаются электрические (электромагнитные) колебания, обладают ярко выраженными колебательными (резонансными) свойствами (например, колебательный контур, объёмный резонатор), то частота и форма генерируемых колебаний в основном определяются частотой и формой собственных колебаний цепи. При малых потерях (высокой добротности колебательной системы) форма колебаний близка к синусоидальной, соответствующие генераторы электрических колебаний называются генераторами гармонических колебаний. Если пассивные цепи и активный элемент генератора электрических колебаний не обладают резонансными свойствами, то возможно возбуждение колебаний сложной формы как периодических, так и непериодических (шумоподобных) колебаний.

Генераторы гармонических колебаний. Наиболее разнообразны виды генераторов гармонических колебаний. Их основные характеристики: частота колебаний, выходная мощность, кпд, возможность механической или электрической перестройки частоты, стабильность частоты, характеризуемая шириной генерируемой спектральной линии, а также возможность работы в непрерывном или импульсном режиме. Принципы построения и конструкция генератора электрических колебаний зависят от диапазона генерируемых частот (длин волн).

Для возбуждения колебаний в НЧ- и ВЧ-диапазонах служат LC-генераторы, содержащие в качестве основного элемента пассивной цепи колебательный контур (с индуктивностью L и ёмкостью С), потери в котором компенсируются, например, с помощью лампового (на основе триода или тетрода) либо транзисторного усилителя; генерируют гармонические колебания с частотой ?, близкой к резонансной частоте контура ?_рез= (LC)^-1/2. В LC-генераторах используются три основных типа связи - индуктивная, ёмкостная или автотрансформаторная. Простейший транзисторный генератор содержит источники питания, колебательный контур, активный элемент - транзистор и цепь обратной связи (рис.). Транзистор усиливает колебания, подводимые от контура к управляющему электроду (базе), что позволяет с помощью цепи обратной связи подкачивать энергию в контур для его возбуждения и поддержания незатухающих колебаний. LC-генераторы позволяют получать колебания мощностью от долей милливатт до сотен киловатт в диапазоне частот от нескольких килогерц до единиц гигагерц.

В кварцевых L С-генераторах используется кварцевый резонатор, в котором энергия электрического поля преобразуется в энергию механических колебаний и обратно. Электрический кварцевый резонатор аналогичен колебательному контуру с высокой добротностью (до 10⁷ и более) и слабой зависимостью резонансной частоты от температуры и других факторов, что позволяет добиться высокой стабильности генерируемой частоты.

В основе работы генераторов СВЧ-диапазона лежат различные физические принципы передачи энергии электронов электромагнитному полю, использующие как механизмы излучения отдельных электронов (тормозное, черенковское, синхротронное и др.), так и механизмы группировки потока электронов в движущиеся сгустки, создающие токи СВЧ и приводящие к индуцированному излучению.

Ламповые и транзисторные генераторы СВЧ представляют собой модификации LC-генераторов, в которых применяются объёмные резонаторы и колебательные системы с распределёнными параметрами, транзисторы, триоды и тетроды специальной конструкции (смотри также Генераторная лампа). В диодных СВЧ-генераторах используют лавинно-пролётные диоды, туннельные диоды и Ганна диоды, в которых при определённых условиях возникает отрицательное дифференциальное сопротивление. Включение такого диода в колебательную цепь СВЧ приводит к компенсации потерь в цепи и самовозбуждению колебаний на соответствующих частотах. Ламповые генераторы обеспечивают получение импульсной мощности до нескольких киловатт на частотах 1-6 ГГц. Диодные и транзисторные генераторы применяются в качестве источников СВЧ-колебаний малой и средней мощности (до десятков ватт в непрерывном режиме) в диапазоне 1-100 ГГц; они обладают рядом преимуществ перед электровакуумными генераторами аналогичного назначения по размерам и массе, потребляемой мощности, долговечности и совместимости с микросхемами. Вместе с тем предельная мощность твердотельных генераторов ограничена величиной рассеиваемой в полупроводнике тепловой энергии и не превышает (для одного прибора) 100 Вт на частотах до 10 ГГц.

Для генерирования СВЧ-колебаний широко применяют вакуумные электронные приборы с динамическим управлением электронным потоком (клистроны, магнетроны, лампы обратной волны, лампы бегущей волны и др.). В магнетронном генераторе источником энергии является источник анодного напряжения, колебательной системой - объёмные резонаторы, а функции активного элемента выполняет электронный поток в магнитном поле. Магнетроны обычно используют для получения электромагнитных колебаний большой мощности (до нескольких мегаватт) в импульсном режиме и десятков киловатт при непрерывной генерации в диапазоне частот от 300 МГц до 300 ГГц.

Клистронный генератор также содержит объёмный резонатор, в котором колебания возбуждаются и поддерживаются электронным потоком, управляемым электрическим полем. Наиболее распространены клистронные генераторы, работающие в диапазоне частот от единиц до десятков гигагерц. Мощность таких генераторов зависит от типа клистрона и составляет: у отражательных клистронов - от нескольких милливатт до нескольких ватт, у пролётных клистронов - от сотен киловатт до десятков мегаватт соответственно в непрерывном и импульсном режимах генерирования.

Лампы обратной волны (ЛОВ) применяют в качестве генераторов электрических колебаний малой и средней мощности; их основное преимущество - большой диапазон электронной перестройки частоты, определяемый главным образом полосой пропускания замедляющей системы (составляет до нескольких октав). Генераторы на ЛОВ используют в качестве гетеродинов, задающих генераторов радиопередающих устройств, для радиоспектроскопии и других целей.

Генераторами мощных колебаний миллиметрового диапазона являются мазеры на циклотронном резонансе, в которых применяются винтовые электронные пучки в продольном статическом магнитном поле, взаимодействующие с поперечным по отношению к оси пучка переменным электрическим полем резонатора или волновода. Возбуждение колебаний в таком генераторе электрических колебаний происходит на циклотронной частоте вращения электронов в магнитном поле или на одной из её гармоник. Особое место среди мощных СВЧ-генераторов занимают приборы с релятивистскими электронными пучками, имеющие большой ток (порядка 10³ кА и более) и соответственно большую мощность в течение импульсов ограниченной длительности (смотри также Релятивистская высокочастотная электроника).

Отдельную группу генераторов электрических колебаний составляют квантовые генераторы, в которых электромагнитные колебания возбуждаются за счёт вынужденных квантовых переходов атомов или молекул. Важная особенность таких генераторов электрических колебаний - чрезвычайно высокая стабильность частоты генерации (до 10^-14), что позволяет использовать их как квантовые стандарты частоты. В лазерах и мазерах частота излучения накачки превышает частоту генерируемых колебаний. Так, в парамагнитном мазере при накачке на частоте 10 ГГц возбуждаются колебания с частотой до 5 ГГц со стабильностью частоты, определяемой лишь стабильностью температуры и магнитного поля.

К генераторам электрических колебаний, преобразующим энергию первичных электрических колебаний, относятся также параметрические генераторы радиодиапазона, представляющие собой резонансную колебательную систему - контур или объёмный резонатор, в котором один из энергоёмких (реактивных) параметров (L или С) зависит от протекающего тока или приложенного напряжения; действие основано на явлении параметрического резонанса. Наибольшее распространение получили маломощные параметрические генераторы электрических колебаний, в которых в качестве элемента с электрически управляемой ёмкостью используется ПП диод.

Релаксационные генераторы. Существует широкий класс генераторов периодических колебаний различной формы, период которых определяется временем релаксации (установления равновесия) в пассивных цепях, не обладающих резонансными свойствами. В таких генераторах электрических колебаний за каждый период колебаний теряется и вновь пополняется значительная часть колебательной энергии. Форма колебаний зависит от свойств, как пассивных цепей, так и активного элемента и может быть весьма разнообразной - от скачкообразных, почти разрывных колебаний до колебаний, близких к гармоническим. В радиотехнике, электронике, измерительной и импульсной технике наибольшее распространение получили релаксационные импульсные генераторы (например, блокинг-генераторы, мультивибраторы), генераторы линейно изменяющегося сигнала, а также генераторы синусоидальных колебаний (RC-генераторы, генераторы Ганна) и др.

RC-генератор не содержит колебательных контуров. Активным элементом (например, электронной лампой, транзистором) управляет RC-цепь обратной связи, состоящая лишь из ёмкостей С и активных сопротивлений R, создающая условия генерации лишь для одного гармонического колебания с частотой, определяемой временем релаксации цепи. В подобных генераторах электрических колебаний происходит полный энергообмен за каждый период колебаний. При отключении источника питания колебания исчезают. RC-генераторы используются преимущественно как источники эталонных колебаний в диапазоне частот от долей герц до сотен килогерц.

Генератор Ганна представляет собой кристалл ПП, который является одновременно и колебательной системой, и активным элементом. Через кристалл пропускают постоянный ток, и при определённых условиях в нём возникают нестационарные процессы, приводящие к появлению СВЧ переменной составляющей тока, протекающего через кристалл, и к возникновению на электродах эдс СВЧ (смотри Ганна эффект). С помощью таких генераторов можно получать электрические колебания частотой от 100 МГц до 50 ГГц и мощностью до 100 мВт (при непрерывном генерировании) и сотен ватт (в импульсном режиме).

Генераторы случайных сигналов предназначены для генерирования непрерывных шумов или последовательностей импульсов со случайными значениями амплитуд, длительностей импульсов, интервалов между ними. Работа таких генераторов электрических колебаний основана на использовании естественных источников шумов и случайных импульсов либо возбуждении стохастических автоколебаний. В качестве источников широкополосных шумов применяются шумовые диоды, тиратроны, помещённые в поперечное магнитное поле, дробовые шумы входных электронных ламп, транзисторов или фотодиодов в видеоусилителях, фотоумножителях и др.; первичными источниками случайных последовательностей импульсов могут служить, например, газоразрядные и сцинтилляционные счётчики продуктов радиоактивного распада. Производя усиление и преобразование шумов, создаваемых источником, с помощью различных линейных и нелинейных устройств (усилителей, ограничителей, ждущих мультивибраторов, блокинг-генераторов, триггеров, работающих в режиме счёта выбросов шума, и др.) можно получать непрерывные шумовые колебания или случайные последовательности импульсов с определёнными законами распределения параметров в различных диапазонах радиочастот. Генераторы случайных сигналов применяют для определения коэффициента шума и предельной чувствительности радиоприёмных устройств, помехоустойчивости систем автоматического регулирования и телеуправления, предельной дальности радиолокационных и радионавигационных систем, в качестве калиброванных источников мощности при измерении параметров случайных процессов (например, атмосферных помех, шумов внеземного происхождения) и др.

Лит.: Справочник по радиоэлектронным устройствам. М., 1978. Т. 1; Радиотехнические цепи и сигналы. М., 1982; Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. М., 1982; Рабинович М. И., Трубецков Д. И. Введение в теорию колебаний и волн. 2-е изд. М., 1992.