Генератори майже гармонійних коливань

Якщо в генераторі з коливальними контурами втрати в контурі або резонаторі малі (висока добротність коливальної системи), то форма коливань у них близька до синусоїдальної і їх називають генераторами майже гармонійних коливань або томсонівськими генераторами.

Транзисторний генератор. Прикладом генератора майже гармонійних коливань є генератор на напівпровідниковому тріоді - транзисторний генератор.

Тут, так само як і в ламповому генераторі, є джерело живлення, добротний коливальний контур, а активний елемент являє собою сполучення напівпровідникового тріода й контур зворотного зв'язка. У напівпровідникових тріодах (транзисторах) має місце посилення потужності коливань, які подаються до керуючого електрода (наприклад, до бази), і це дозволяє, так само як і у випадку електронних ламп, за допомогою контура зворотного зв'язка здійснити підкачування коливальної енергії в контур для його збудження й підтримки режиму стаціонарних (незатухаючих) коливань. Існують різні схеми транзисторних генераторів. Три варіанти напівпровідникових генераторів, що використають включення транзистора за схемою із спільним емітером, показані на рисунку 1.16.

• а)
• б)
• в)

Рисунок 1.16 - Транзисторні генератори

Транзисторні генератори генерують коливання із частотою від декількох кГц до 1010 ГГц із потужностями від десятих часток мВт до сотень Вт. Як і в ламповому генераторі, тут при високій добротності контуру форма коливань близька до гармонійної, а частота визначається власною частотою коливань контуру з врахуванням "паразитних" ємностей транзистора.

Магнетронний генератор. У магнетронному генераторі коливання НВЧ збуджуються в системі об'ємних резонаторів (порожнини із провідними стінками). Резонатори розташовані по контуру масивного анода і їхня власна частота визначається діаметром порожнини й шириною щілини, що з'єднує кожну порожнину із загальним простором, у центрі якого розташований катод. Магнітне поле, викривляючи траєкторії електронів, що рухаються від катода К до аноду А (рис.1.17), формує загальний електронний потік, що пролітає послідовно уздовж щілин резонаторів.

Рисунок 1.17 - Магнетронний генератор коливань

Магнітне поле підбирається таким, щоб більшість електронів рухалося по траєкторіях, що майже стосуються щілин. Так як, у резонаторах за рахунок випадкових струмів неминуче виникають слабкі електричні коливання, то біля щілин існують слабкі змінні електричні поля Е. Пролітаючи в цих полях, електрони залежно від їхнього напрямку відносно поля Е або прискорюються, відбираючи енергію в резонатора, або гальмуються, віддаючи частину енергії резонаторам. Електрони, прискорені полем першого ж резонатора, вертаються на катод. Загальмовані ("робітники") електрони попадають у поле наступних резонаторів, де вони також будуть гальмуватися, якщо попадають туди в "гальмуючі" напівперіоди електромагнітного поля. Шляхом відповідного підбору швидкості електронів (анодної напруги і магнітного поля Н) можна домогтися того, щоб електрони більше віддавали енергії резонаторам, чим забирали в них. Тоді коливання в резонаторах будуть наростати. Нелінійність характеристик магнетрона забезпечує встановлення постійної амплітуди генерируємих коливань. Відбір енергії може вироблятися з будь-якого резонатора за допомогою петлі зв'язку П.

У магнетроні джерелом живлення є джерело анодної напруги , коливальною системою - резонатори. Роль активного елемента, що забезпечує перетворення постійної енергії в енергію електричних коливань, грає електронний потік, що перебуває під дією магнітного поля.

Магнетрони генерують гармонійні коливання в діапазоні частот від 300 МГц до 300 ГГц. ККД магнетронних генераторів досягає 85%. Звичайно магнетрони використаються для одержання коливань більших потужностей (декілька МВт) в імпульсному режимі й десятків кВт при безперервній генерації.

Клістронний генератор (рис.1.18) також містить об'ємний резонатор, у якому коливання збуджуються й підтримуються електронним потоком.

Рисуфнок 1.18 - Клістронний генератор

Потік електронів, що випускається катодом К, прискорюється електричним полем, створеним джерелом живлення. У відбивному клістроні електрони пролітають через сітки об'ємного резонатора С й, не досягаючи анода А, потенціал якого від'ємний щодо сіток резонатора, відбиваються, пролітають через резонатор у зворотному напрямку й т.д. Якби електрони пролітали через резонатор суцільним потоком, то протягом одного напівперіоду коливань резонатора вони віддавали б резонаторам енергію, а протягом другого напівперіоду віднімали б цю ж кількість енергії в резонатора генерування електричних коливань було б неможливе. Якщо ж електрони влітають у резонатор окремими "згустками", причому в такі моменти, коли резонатор їх гальмує, то вони віддають резонатору енергії більше, ніж забирають у нього. При цьому електронний потік підсилює виниклі в резонаторі випадкові коливання й підтримує їх з постійною амплітудою. Так як, групування електронного потоку в згустки відбувається за час, що відповідає декільком періодам коливань, то довжина "простору угруповання" задається швидкістю електронів і частотою генерируємих коливань. Завдяки цьому найбільше поширення клістронні генератори мають у сантиметровому й міліметровому діапазонах довжин хвиль. Потужність клістронів невелика - від декількох мВт у міліметровому діапазоні до декількох Вт у сантиметровому. Потужність двухрезонаторних прольотних клістронних генераторів у сантиметровому діапазоні може становити десятки Вт.

У квантових генераторах роль високодобротної коливальної системи виконують збуджені атоми або молекули активної речовини. Переходячи зі збудженого стану в незбуджене, вони випромінюють порції (кванти) електромагнітної енергії, рівні hv, де h - Планка постійна, v - частота електромагнітних коливань, характерна для даного сорту атомів. Джерелом енергії є збуджені атоми й молекули, а для відбору збуджених молекул служить система, що сортує. Наприклад, у молекулярному генераторі на аміаку джерелом живлення є джерело молекулярного пучка аміаку. Об'ємний резонатор, у якому перебуває активна речовина, здійснює зворотний зв'язок, викликаючи за допомогою електромагнітного поля змушене випромінювання молекул і вкладення коливальної енергії, що компенсує втрати, включаючи відбір енергії з зовні. Аміачний генератор працює на частоті 23,870 ГГц із досить стабільною й вузькою спектральною лінією генеруємих коливань за рахунок високої добротності квантового переходу. Висока стабільність частоти коливань, генеруємих квантовими генераторами в радіодіапазоні (на аміаку, водні, синильній кислоті й ін.), дозволяє використати їх як квантові стандарти частоти.