Какую функцию выполняет генератор электромагнитных колебаний

1. Аналитическая часть. Проектирование элементов генераторов lc-типа

Генератор Электромагнитных Колебаний — устройство для получения электро-магнитных (эл-магн.) колебаний требуемого вида (определение частот, амплитуд и фаз для гармонических колебаний, формы во времени для импульсных колебаний и т. д.). В генератор электромагнитных колебаний осуществляется преобразование электрической энергии источников пост. напряжения и тока либо энергии первичных эл-магн. колебаний или др. форм энергии в энергию генерируемых эл-магн. колебаний. [9]

Термин генератор электромагнитных колебаний чаще всего применяют к автогенераторам (генераторам с независимым возбуждением), где возбуждаются автоколебания, частота, форма и др. характеристики которых определяются свойствами самого генератора. Генератор электромагнитных колебаний с посторонним возбуждением представляют собой усилители мощности эл-магн. колебаний, создаваемых задающим автогенератором.

Электронными генераторами называются устройства, преобразующие электрическую энергию источника постоянного тока (источника питания) в энергию электрических колебаний заданных формы и частоты. Форма электрических колебаний может быть различной. Генераторы, формирующие синусоидальные колебания, называются генераторами синусоидальных, или гармонических колебаний. Если форма колебаний отличается от синусоидальной (прямоугольные, треугольные, пилообразные и т.д.), то такие генераторы называются импульсными, или релаксационными. [5]

По принципу управления генераторы разделяются на две группы – генераторы с самовозбуждением (автогенераторы) и генераторы с внешним (независимым) возбуждением. Последние, по существу, являются усилителями мощности высокой частоты, работающими на резонансную нагрузку и здесь рассматриваться не будут.

Схема автогенератора обычно содержат усилитель, охваченный обратной связью. Для построения автогенератора синусоидальных колебаний элементы схем либо усилителя, либо ОС должны обладать явно выраженными частотными свойствами. Наиболее часто используются два типа усилительных схем – с резонансными (колебательными) контурами и с резистивно-емкостными цепями. Автогенераторы, выполненные на основе схемы резонансного усилителя, часто называют автогенераторами типа LC, а автогенераторы, построенные на основе схемы усилителя на RC цепях,– автогенераторами типа RC или RC генераторы. Генерирование колебаний с частотами меньше 15 – 20 кГц на резонансных LC контурах затруднено и неудобно из-за их громоздкости. В низкочастотном диапазоне широко используются генераторы типа RC. Они могут генерировать весьма стабильные синусоидальные колебания в сравнительно широком диапазоне частот от долей герца до сотен килогерц. Кроме того, они имеют малые габариты и массу. Конечно, наиболее полно преимущества генераторов типа LC проявляются в области высоких частот.

Проектируемое устройство – генератор синусоидальных колебаний со встроенным усилителем мощности — предназначен для использования в радиотехнике и измерительной технике. Благодаря возможности изменения частоты генератор служит для регулирования, испытания и ремонта различых радиотехнических устройств в лабораторных и производственных условиях (телевидение, радиовещание, акустика, техника связи и т.д.). [1]

Бурное развитие цифровой электронной техники позволяет во все большем числе случаев формирования аналоговых сигналов использовать цифровые методы. Так как цифровые генераторы аналоговых сигналов обладают рядом достоинств:

— универсальность, поскольку они позволяют генерировать аналоговый

сигнал с произвольной, заданной пользователем, формой;

— отсутствие ограничения по минимальной частоте;

— высокая стабильность параметров выходного сигнала

Цифровые генераторы обладают универсальностью, точностью и удобством настройки. Поэтому они получают всё большее распространение как узлы электронной аппаратуры, тат и как самостоятельные устройства применяемые при измерениях и налаживании систем, работающих со сложными сигналами.

Аналоговые генераторы используются в тех случаях, когда нет высоких требований к параметрам генератора, или важна простота и минимальная стоимость узла.

Электронный генератор представляет собой устройство, преобразующее электрическую энергию источника постоянного тока в энергию незатухающих электрических колебаний требуемой формы, частоты и мощности.

По принципу работы и схемному построению различают генераторы с самовозбуждение (автогенераторы) и генераторы с внешним возбуждением ,которые по существу являются усилителями мощности генерируемых колебаний заданной частоты .

Электронные автогенераторы подразделяются на автогенераторы синусоидальных (гармонических) колебаний и автогенераторы колебаний несинусоидальной формы, которые принято называть релаксационными (импульсными) автогенераторами.

Являясь первоисточником электрических колебаний, генераторы с самовозбуждением широко используются в радиопередающих и радиоприемных (супергетеродинных) устройствах, в измерительной аппаратуре, в ЭВМ, в устройствах телеметрии и т. д.

По диапазону генерируемых частот генераторы делятся на низкочастотные (от 0,01 Гц до 100 кГц), высокочастотные (от 100 кГц до 100 МГц ) и сверхвысокочастотные (от 100 МГц и выше ).

Широкое внедрение сложных радиоэлектронных устройств в различные отрасли народного хозяйства ставит перед разработчиками радиоаппаратуры две важнейшие задачи: повышение ее надежности и уменьшение массы и габаритов. Надежность аппаратуры в настоящее время повышается за счет применения соответствующей элементной базы и специальных методов построения систем, а основным направлением миниатюризации избирательных и автоколебательных низкочастотных систем, ввиду отсутствия реальных путей миниатюризации катушек индуктивности, является внедрение активных избирательных RL-цепей (активных RL-фильтров и RL-генераторов).

Широкому распространению транзисторных RL-генераторов синусоидальных колебаний способствует простота изготовления, существующие высокостабильные конденсаторы и сопротивления, стабильные операционные и интегральные усилители, а также технологическая перспективность, если учесть прогресс технологии микромодулей и цепей на основе твердого тела.

L-C генераторы обычно используются для формирования радиочастотных сигналов, т.к весогабаритные характеристики элементов колебательных контуров в звуковом диапазоне частот становятся неприемлемыми.

Для чего предназначен генератор высокочастотных электромагнитных колебаний, имеющийся в каждом радиопередающем устройстве?

Как быстро выучить стихотворение наизусть? Запоминание стихов является стандартным заданием во многих школах.

Как научится читать по диагонали? Скорость чтения зависит от скорости восприятия каждого отдельного слова в тексте.

Как быстро и эффективно исправить почерк? Люди часто предполагают, что каллиграфия и почерк являются синонимами, но это не так.

Как научится говорить грамотно и правильно? Общение на хорошем, уверенном и естественном русском языке является достижимой целью.

Генераторы

Генератором электрических колебаний называется устройство, преобразующее энергию источника постоянного тока в энергию переменного тока требуемой формы. В зависимости от формы выходного напряжения различают: генераторы гармонических колебаний и генераторы негармонических колебаний (импульсные или релаксационные генераторы).

Независимо от формы выходного напряжения любой генератор может работать в одном из двух режимов: режим автоколебаний; режим запуска внешними импульсами.

Генератор, работающий в режиме автоколебаний, называют автогенератором. Выходное переменное напряжение формируется на его выходе сразу после подключения напряжения питания.

Генераторы, работающие в режиме запуска внешними импульсами, после подключения источника питания могут сколь угодно долго находиться в устойчивом состоянии, не формируя выходное переменное напряжение. При подаче управляющего сигнала на вход такого генератора, на его выходе формируется сигнал, параметры которого полностью определяются собственными характеристиками устройства. Такой режим работы называют ждущим.

Условия самовозбуждения автогенераторов

Генератор представляет собой усилитель с коэффициентом усиления К, охваченный положительной обратной связью с коэффициентом β.

В качестве цепи обратной связи используют частотно-зависимые звенья – LC-контуры (в высокочастотных автогенераторах) и RC-четырехполюсники (в низкочастотных автогенераторах). Входное и выходное напряжения связаны между собой соотношениями:

Это выражение справедливо при

При этом условии в автогенераторе возникают незатухающие колебания. Величины K и β являются комплексными, зависящими от частоты, поэтому можно записать

где φ_K и φ_β сдвиг фаз соответственно усилительного звена и звена обратной связи. Это равенство выполняется при двух условиях:

называемое условием баланса амплитуд и

где n = 0, 1, 2. и т.д., называемое условием баланса фаз.

Условие баланса амплитуд соответствует тому, что потери энергии в генераторе восполняются энергией от источника питания с помощью звена обратной связи. Условие баланса фаз означает, что в схеме существует положительная обратная связь. Обычно значения K и β выбирают такими, чтобы

Появившиеся в результате шумов усилительного элемента слабые колебания усиливаются усилителем в K раз и ослабляются в β раз цепью обратной связи, попадая вновь на вход усилителя, в той же фазе, но с большей амплитудой. Далее они опять усиливаются, и процесс повторяется. В этом режиме амплитуда колебаний нарастает что соответствует условию Kβ > 1. По мере роста амплитуды входного напряжения в усилителе из-за нелинейности его амплитудной характеристики, которая при больших входных напряжениях имеет участок насыщения, коэффициент усиления начинает уменьшаться и произведение Kβ становится равным единице. При этом появляются колебания с постоянной и автоматически поддерживаемой амплитудой, что соответствует установившемуся режиму автоколебаний. Если условия самовозбуждения выполняются для одной частоты, то возникают гармонические колебания, если же одновременно для нескольких частот (или полосы частот), то появляются колебания сложной формы, состоящие из нескольких (или большого числа) гармонических составляющих.

Генераторы гармонических колебаний

Генераторы гармонических колебаний вырабатывают электромагнитные колебания синусоидальной формы требуемой частоты и мощности. В зависимости от частоты генерируемых колебаний генераторы делят на низкочастотные (0,01 ÷ 100 кГц); высокочастотные (0,01 ÷ 100 МГц); сверхвысокочастотные (свыше 100 МГц). По конструкции бывают LC-генераторы и RC-генераторы.

LC-автогенератор

LC-автогенераторы выполняют обычно на однокаскадном усилителе, в котором в качестве цепи положительной обратной связи применяют резонансный (колебательный) LC-контур.

Коллекторной нагрузкой является контур L_к C_к. Индуктивная связь между выходом и входом усилителя обеспечивается катушкой L_б, включенной в цепь базы. Элементы R₁, R₂, R₃, C₁, C₂, предназначены для обеспечения необходимого режима по постоянному току и его термостабилизации.

Начальный импульс тока возбуждает в контуре L_к C_к колебания с частотой резонанса ω = 1/2π√L_кC_к, которые могли бы прекратиться из-за потерь энергии в контуре. Но благодаря индуктивной связи между катушками L_к и L_б возникают незатухающие колебания в контуре L_к C_к. Условие баланса фаз обеспечивается правильным подключением выводов катушки L_б так, чтобы входные и выходные колебания совпадали по фазе. Для выполнения условия баланса амплитуд коэффициент усиления каскада должно компенсировать потери энергии звеном обратной связи. Частота колебаний генератора

Для повышения стабильности частоты используют кварцевую стабилизацию частоты с использованием кварцевых резонаторов, что дает очень низкую нестабильность частоты, обычно порядка 10 -7 . Кварцевый резонатор представляет собой тонкую пластинку кварца, установленную в кварцедержателе, Благодаря пьезоэффекту, кристалл кварца представляет собой электромеханическую систему, обладающую резонансными свойствами. В зависимости от геометрических размеров и ориентации среза резонансные свойства каждой пластинки строго индивидуальны и лежат в пределах от нескольких десятков килогерц до нескольких десятков мегагерц. Добротность кварца достигает 10 5 – 10 6 , т. е. на 2 – 3 порядка больше добротности контуров, выполненных на катушках и конденсаторах.

RC-автогенератор

Для получения гармонических колебаний низкой и инфранизкой частот (от долей герца до нескольких десятков килогерц) применение LC-генераторов нецелесообразно из-за больших величин индуктивностей катушек и емкостей конденсаторов в колебательном контуре. Для этих целей используют RC-генераторы, имеющие малые габариты, массу и стоимость, а также высокую стабильность частоты на низких частотах за счет применения резисторов и конденсаторов с хорошей стабильностью параметров.

RC-автогенератор содержит двухкаскадный усилитель и цепь частотно-зависимой обратной связи в виде последовательно-параллельной RC-цепочки (моста Вина).

Для частотно-зависимой RC-цепочки частоту ω кратную πn, где n – 0,1,2 и т. д. называют квазирезонансной частотой. Квазирезонансная частота этой цепочки равна

коэффициент передачи напряжения на квазирезонансной частоте

Т. к. в реальных схемах R₁ = R₂ = R и C₁ = C₂ = C, то получим

Поскольку β положительна, cдвиг фазы выходного сигнала отсутствует (φ_β = 0).

Таким образом, для выполнения условия самовозбуждения усилительное звено RC-автогенератора должно обеспечивать фазовый сдвиг φ_K = 2πn, (поскольку из баланса фаз следует, что φ_K + φ_β = 2πn, а φ_β = 0) и иметь коэффициент больше трех (поскольку βK ≥ 1, а β = 1/3).

Двухкаскадный усилитель имеет нулевой фазовый сдвиг, а RC-цепь на квазирезонансной частоте также обеспечивает фазовый сдвиг, равный нулю, то условие баланса фаз выполняется именно на этой частоте, чем достигается получение синусоидальной формы колебаний.

Усилитель выполнен на транзисторах VT₁ и VT₂, включенных по схеме с ОЭ. Элементы C₁, R₁, C₂, R₃, составляющие мост Вина, образуют цепь положительной обратной связи.

Звено отрицательной обратной связи, состоящее из элементов C₅, R₆, стабилизирует частоту и амплитуду генерируемых колебаний.

Резистор R₃ подключен ко входу усилителя, а R_вх не велико у схемы с ОЭ, то это изменяет частоту квазирезонанса. Поэтому

Для получения прямоугольных импульсов используют устройства, называемые релаксационными генераторами (релаксаторами). Релаксаторы могут работать в одном из трех режимов: 1) ждущем; 2) автоколебаний; 3) синхронизации.

Мультивибратором называют релаксатор с емкостной связью между каскадами, работающий в режиме автоколебаний.

Мультивибратор состоит из двух усилительных каскадов по схеме с ОЭ, выходное напряжение каждого из которых подается на вход другого.

При подключении питания оба транзистора пропускают ток, поскольку на базы подается смещение через резисторы R₂ и R₃. Однако такое состояние неустойчиво. Из-за наличия в схеме положительной обратной связи легко выполняется условие Kβ > 1 и усилитель самовозбуждается. Начинается процесс генерации – быстрое увеличение тока одного транзистора и уменьшение тока другого. Допустим, в момент времени t транзистор VT₁ оказался насыщенным, а транзистор VT₂ запертым. Это временно устойчивое состояние. При этом открытое состояние транзистора VT₁ обеспечивается смещением на через R₃ а запертое состояние транзистора VT₂ положительным напряжением на конденсаторе С₁, который через открытый транзистор VT₁ включен в промежутке база-эмиттер транзистора VT₂. Мультивибратор находится в этом состоянии до тех пор, пока не уменьшится напряжение на С₁ до напряжения отпирания транзистора VT₂. Его разряд происходит через резистор R₂ и открытый транзистор VT₁. Напряжение на конденсаторе и на базе VT₂ убывает по экспоненте, и, когда потенциал базы VT₂ станет равным напряжению отпирания происходит переключение мультивибратора. Транзистор VT₂ открывается, а транзистор VT₁ закрывается. Процесс происходит лавинообразно, поскольку изменение напряжения на коллекторе транзистора VT₂ передается через емкостьС₂ на базу VT₁ и ускоряет его запирание.

Напряжения на конденсаторах изменяются по экспоненциальному закону

Длительность одного импульса

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:

Какую функцию выполняет генератор электромагнитных колебаний

генератор электромагнитных колебаний

ГЕНЕРАТОР ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ КОЛЕБАНИЙ — устройство для получения эл—магн. колебаний требуемого вида (определ. частот, амплитуд и фаз для гармонич. колебаний, формы во времени для импульсных колебаний и т. д.). В Г. э. к. осуществляется преобразование электрич. энергии источников пост. напряжения и тока либо энергии первичных эл—магн. колебаний или др. форм энергии в энергию генерируемых эл—магн. колебаний.

Термин Г. э. к. чаще всего применяют к автогенераторам (генераторам с независимым возбуждением), где возбуждаются автоколебания ,частота, форма и др. характеристики к-рых определяются свойствами самого генератора. Г. э. к. с посторонним возбуждением представляют собой усилители мощности эл—магн. колебаний, создаваемых задающим автогенератором.

Необходимые элементы Г. э. к.: источник энергии, пассивные цепи, в к-рых возбуждаются и поддерживаются колебания, активный элемент, преобразующий энергию источника питания в энергию генерируемых колебаний, цепь обратной связи, управляющая активным элементом и создающая условия для возникновения автоколебаний (рис. 1). В зависимости от требуемых характеристик Г. э. к. в них используют разнообразные элементы. Для Г. э. к. низких и радиочастот это колебательные контуры, фильтры и др. цепи с сосредоточ. параметрами (ёмкостью С, индуктивностью L, сопротивлением R), а в качестве активных элементов — электронные лампы, транзисторы, туннельные диоды и усилители в целом (напр., операционный усилитель). В Г. э. к. СВЧ применяют гл. обр. 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 эл—вакуумные (СВЧ-триод, магнетрон, клистрон, лампа обратной волны и др.) или твердотельные (СВЧ-транзистор, диод Ганна, лавинно-пролётный диод, туннельный диод) приборы; иногда активным элементом считают электронный поток в приборе. В оптич. квантовых генераторах (лазерах)применяют разл. виды открытых резонаторов и активную среду, преобразующую энергию источника питания (энергию «накачки») в энергию эл—магн. колебаний.

Возбуждение автоколебаний в Г. э. к. начинается с возникновения нач. колебаний в к—л. элементе при включении источника питания, замыкании цепей, вследствие электрич. флуктуации и т. д. Благодаря цепи обратной связи энергия этого колебания полностью или частично поступает в активный элемент и усиливается в нём (рис. 1). Параметры цепи обратной связи подобраны т. о., чтобы усиленное колебание складывалось в фазе с начальным (положит. обратная связь, фазовый баланс). Колебания в Г. э. к. нарастают, т. е. происходит самовозбуждение генератора, если мощность Р_акт=Р_а,вых—Р_а,вх передаваемая колебаниям активным элементом от источника питания, больше мощности потерь Р_пот во всех элементах Г. э. к. (включая мощность Р_вых, отдаваемую в нагрузку); в противном случае происходит затухание колебаний. Активный элемент имеет, как правило, нелинейную амплитудную характеристику, поэтому зависимость Р_акт от мощности колебаний (напр., от Р_а,вх) нелинейна; наоборот, мощность потерь в большинстве случаев линейно зависит от мощности колебаний (рис. 2). При выпуклой амплитудной характеристике возбуждение (Р_акт>Р_пот) возможно при сколь угодно малой нач. амплитуде и мощности колебаний — это генераторы с мягким самовозбуждением (рис. 2, а). Если же амплитудная характеристика на нач. участке вогнута, то реализуется жёсткий режимсамовозбуждения, когда нарастание колебаний (Р_акт>Р_пот) возможно только при конечных значениях нач. амплитуды и мощности, превышающих нек-рое пороговое значение (Р_а,вх>Р_пор на рис. 2, б). С ростом амплитуды колебаний их усиление в нелинейном активном элементе уменьшается, происходит переход к стационарному режиму Г. э. к., к-рому соответствует энергетич. равновесие в системе (Р_акт=Р_пот, амплитудный баланс). Условие баланса амплитуд записывают относительно амплитуды или мощности колебаний в выбранной точке генератора, напр. относительно Р_а,вх: Р_а,вых(,Р_а,вх)-Р_а,вх=Р_а,вых(, Р_а,вх), где коэф. характеризует потери мощности, включая мощность, передаваемую в нагрузку, — частота. Вместе с условием баланса фаз , n=0, 1, 2, . оно определяет мощность и частоту колебаний в стационарном режиме, поскольку в общем случае амплитудная характеристика, набег фазы в пассивных цепях и фазово-амплитудная характеристика активного элемента зависят от частоты. Помимо баланса амплитуд и фаз необходимым условием существования стационарного режима является его устойчивость. Если при малом возмущении стационарного значения амплитуды мощность потерь в системе растёт или убывает быстрее, чем мощность, поступающая от активного элемента, то колебания устойчивы, амплитуда возвращается к стационарному значению.

Рис. 2. Зависимость мощности потерь Р_пот (пунктир) и мощности Р_акт, передаваемой колебаниям активным элементом, от мощности колебаний на входе (сплошная кривая) для генераторов: а — с мягким самовозбуждением, б — с жёстким возбуждением.

Возникновение в колебат. цепи незатухающих колебаний можно рассматривать как результат внесения в неё «отрицат.» сопротивления, компенсирующего положит. сопротивление цепи. В отрицат. дифференц. сопротивлении увеличение тока соответствует уменьшению падения напряжения, , на нём выделяется мощность Р_акт, компенсирующая потери, поэтому активный элемент Г. э. к. вместе с управляющей им цепью обратной связи эквивалентен нек-рому R_ДИФФ -8 -10 -5 с и крутыми фронтами, повторяющиеся через сравнительно большие промежутки времени. Для создания положит. обратной связи в них применяют импульсный трансформатор с малой индуктивностью рассеяния и малой паразитной ёмкостью.

В генераторах пилообразного напряжения используют заряд или разряд ёмкости через сопротивление в схемах с электронными лампами, транзисторами, операц. усилителями.

Генераторы СВЧ. В генераторах СВЧ применяют разнообразные колебат. и волноводные системы (объёмные резонаторы, волноводы, замедляющие системы и т. д.), характерный размер к-рых . В основе работы их активных элементов (эл—вакуумных и твердотельных приборов) лежат разнообразные физ. принципы передачи энергии электронов эл—магн. полю, использующие как разл. механизмы излучения отд. электронов (тормозное, переходное, черенковское, синхротронное), так и разл. механизмы группировки потока электронов в движущиеся сгустки, создающие токи СВЧ и приводящие к индуциров. излучению.

Ламповые и транзисторные генераторы СВЧ представляют собой разл. модификации LC-генераторов, в к-рых применяют объёмные резонаторы и колебат. системы с распределёнными параметрами, триоды, тетроды и транзисторы спец. конструкции. Использование в ламповых генераторах плоских и коаксиальных металлокерамич. триодов обеспечивает получение импульсной мощности от Р_вых

6 ГГц. Резнатроны (тетродные генераторы с резонаторами внутри вакуумной оболочки) имеют ещё большую мощность в дециметровом диапазоне. Транзисторные генераторы СВЧ имеют малые размеры и массу, низковольтное питание, возможность электрич. перестройки частоты. В них применяют как биполярные, так и полевые транзисторы, позволяющие достигать более высоких частот

10 ГГц. Для получения ещё больших частот иногда используют сочетание транзисторного генератора и умножителя частоты в одном приборе. Транзисторы имеют широкую полосу рабочих частот , что обеспечивает электрич. перестройку частоты генераторов в пределах до неск. октав при изменении напряжения на включённом в резонатор варакторе (запертом диоде, ёмкость к-рого зависит от прилож. напряжения) либо при изменении магн. поля на помещённой в резонатор ЖИГ-сфере (монокристалле железо-иттриевого граната, индуктивность к-рого зависит от магн. поля).

В диодных генераторах СВЧ используют лавинно-пролетные диоды., туннельные диоды и Ганна диоды, в к-рых при определённых условиях в полосе частот появляется отрицат. дифференц. сопротивление, зависящее также от тока и напряжения на диоде. Включение такого диода в колебат. цепь СВЧ приводит к компенсации потерь в цепи и самовозбуждению колебаний на соответств. частотах. Диодные генераторы работают в диапазоне частот 1-100 ГГц, наиб. выходная мощность (до неск. Вт в непрерывном режиме) достигается при использовании лавинно-пролетных диодов и диодов Ганна. Применяются механич. перестройка частоты диодных генераторов СВЧ при изменении геом. размеров резонатора, электрич. перестройка частоты при изменении напряжения на диоде или при использовании варактора и ЖИГ-сфер. Частота Г. э. к. на лавинно-пролётных диодах и диодах Ганна перестраивается механически в пределах октавы, а электрически — в диапазоне 15-40%.

Диодные и транзисторные генераторы применяются в качестве источников СВЧ-колебаний малой и ср. мощности (до десятков Вт в непрерывном режиме), они обладают рядом преимуществ перед эл—вакуумными 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, по теоретич. оценкам, не превышает для одного прибора 100 Вт на частоте 10 ГГц, 10 Вт на частоте 30 ГГц.

Генераторы СВЧ с динамич. управлением электронным потоком в вакуумных электронных приборах (клистронах, магнетронного типа приборах, лампах обратной волны, лампах бегущей волны и др.), в отличие от ламповых генераторов на триодах и тетродах со статич. управлением электронным потоком, существенно используют инерцию электронов. Взаимодействие электронных потоков с эл—магн. полем слагается из двух процессов: возбуждения эл—магн. поля в объёмном резонаторе, волноводе или замедляющей системе движущимися электронами и группировки (фазовой фокусировки) электронов при воздействии эл—магн. поля на движение электронов.

В клистронных генераторах применяются отражательные и пролётные клистроны. Часто они заменяются твердотельными генераторами, однако спец. конструкции отражат. клистронов (минитроны) сравнимы с ними по своим размерам и питающим напряжениям.

Лампы обратной волны (ЛОВ) применяют в качестве Г. э. к. малой и ср. мощности; их гл. преимущество — большой диапазон электронной (электрич.) перестройки частоты. Диапазон электронной перестройки частоты определяется гл. обр. полосой пропускания замедляющей системы и может составлять неск. октав; их используют как гетеродины, задающие генераторы передающих устройств, для радиоспектроскопии и др.

Имеется много генераторов СВЧ на магнетронного типа приборах, в к-рых электроны взаимодействуют с эл—магн. полем при одноврем. движении в перпендикулярных электрич. и магн. полях. При этом электроны передают эл—магн. полю свою потенц. энергию, взаимодействуя с продольной (по отношению к их дрейфовой скорости) составляющей перем. электрич. поля, а группируются под действием поперечной составляющей этого поля. Наиб. распространённым типом СВЧ-генераторов являются импульсные магнетроны, применяемые в радиолокации.

Наиб. мощность достигнута на магнетронах дециметрового диапазона; значит. мощность получена и на более коротких волнах. Магнетроны непрерывного режима широко применяют для нагреват. СВЧ-аппаратуры. Магнетроны характеризуются большим значением кпд.

В митронах колебат. системой служит замкнутая в кольцо замедляющая система типа встречные штыри со слабо выраженными резонансными свойствами, что допускает значит. перестройку частоты генератора (в 3 раза) при изменении напряжения анод-катод. Др. генераторами магнетронного типа являются лампы обратной волны М-типа, стабилотроны, отличающиеся от магнетрона разомкнутой колебат. системой и подключённым к ней внеш. высокодобротным резонатором, обеспечивающим высокую стабильность частоты генерируемых колебаний, и др. приборы.

Генераторами мощных колебаний миллиметрового диапазона волн являются мазеры на циклотронном резонансе. В них применяются винтовые электронные пучки в продольном статич. магн. поле, взаимодействующие с поперечным по отношению к оси пучка перем. электрич. полем резонатора или волновода. Возбуждение колебаний происходит на циклотронной частоте вращения электронов в магн. поле или на одной из её гармоник, а группировка электронов в сгустки обусловлена зависимостью массы электронов от скорости, к-рая проявляется уже при небольших скоростях электронов

В особый класс мощных генераторов СВЧ выделяют приборы с релятивистскими электронными пучками (скорость электронов , ускоряющее напряжение U100 кВ), имеющие большой ток I10 3 кА и соответственно большую мощность в течение импульсов огранич. длительности.

Оптические квантовые генераторы (ОКГ, лазеры). Колебат. системами ОКГ являются открытые резонаторы с размерами , образованные двумя или более отражающими поверхностями. Семейство газовых лазеров многочисленно, они перекрывают диапазон длин волн от УФ области спектра до субмиллиметровых волн. В твердотельных лазерах активной средой являются диэлектрич. кристаллы и стёкла. Особый класс твердотельных ОКГ составляют полупроводниковые лазеры, в к-рых используются излучательные квантовые переходы между разрешёнными энергетич. зонами, а не дискретными уровнями энергии. Жидкостные лазеры работают на неорганических активных жидкостях, а также на растворах органич. красителей (см. Лазеры на красителях).

Родственными эл—вакуумным приборам СВЧ являются лазеры на свободных электронах ,в к-рых активной средой служит релятивистский электронный поток.

Генераторы случайных сигналов представляют собой класс Г. э. к., предназначенных для генерирования непрерывных шумов или последовательностей импульсов со случайными значениями амплитуд, длительностей импульсов, интервалов между ними. Независимо от диапазона частот, в к-ром генерируются случайные сигналы, работа таких Г. э. к основана на одном из двух физ. принципов: использовании естеств. источников шумов и случайных импульсов либо возбуждении стохастич. автоколебаний в Г. э. к. В качестве источников широкополосных шумов применяются шумовые полупроводниковые и вакуумные диоды, обладающие высоким уровнем шума электронного потока, тиратроны, помещённы в поперечное магн. поле, дробовые шумы входных ламп, транзисторов или фотодиодов в видеоусилителях, фотоумножителях и др.; первичными источниками случайных импульсных последовательностей могут служить газоразрядные или сцинтилляц. счётчики продуктов радиоактивного распада. Производя усиление и преобразование создаваемых источником шумов с помощью разл. линейных и нелинейных устройств (усилителей, ограничителей, ждущих мультивибраторов, блокинг-генераторов, триггеров, работающих в режиме счёта выбросов шума, и т. д.), можно получать непрерывные шумовые колебания или случайные последовательности импульсов с определ. законами распределения параметров в разл. диапазонах (низких, радио- и сверхвысоких частот).

Рис. 6. Генератор стохастических колебаний на ЛБВ со спиральной замедляющей системой и цепью запаздывающей обратной связи; К — катод, Кл — коллектор.

Непосредств. возбуждение шумовых (стохастич.) автоколебаний без использования естеств. источников шума возможно в Г. э. к., колебат. система к-рых имеет не менее 1,5 степеней свободы, в том числе Г. э. к. с запаздывающей обратной связью (см. Странный аттрактор). Влампе бегущей волны (ЛБВ), охваченной петлёй запаздывающей обратной связи (рис. 6), при достаточной величине запаздывания сигнала и коэф. усиления ЛБВ возбуждаются стохастич. автоколебания с широким спектром. В ЛОВ стохастич. колебания возникают без введения дополнит. цепей обратной связи при увеличении тока электронного пучка примерно на порядок по сравнению с пусковым током, при к-ром происходит возбуждение гармонич. колебаний. Такие колебания получаются также в нек-рых схемах Г. э. к. с электронными лампами и полупроводниковыми активными элементами, причём имеется общая закономерность, присущая и др. динамич. системам: вместе с ростом параметра, характеризующего эффективность передачи энергии активным элементом в колебат. цепь, в системе возбуждаются сначала гармонич. колебания, затем двух- или многочастотные и, наконец, стохастич. колебания.

Рис. 7. Достигнутые выходные мощности генераторов в непрерывном (сплошная кривая) и импульсном (пунктир) режимах работы.

Представление о достигнутой макс. мощности генерируемых гармонич. колебаний даёт рис. 7, причём в области СВЧ и более низких частот она получается при использовании вакуумных приборов, а в оптич. диапазоне — газовых лазеров.

Лит.: Горелик Г. С., Колебания в волны, 2 изд., M., 1959; Кукарин С. В., Электронные СВЧ приборы, 2 изд., M., 1981; Вайнштейн Л. А., Солнцев В. А., Лекции по сверхвысокочастотной электронике, M., 1973; Справочник по радиоэлектронным устройствам, т. 1, M., 1978; Тарасов Л. В., Физика процессов в генераторах когерентного оптического излучения, M., 1981; Радиотехнические цепи и сигналы, M., 1982; Титце У., Шенк К., Полупроводниковая схемотехника, пер. с нем., M., 1982; Рабинович М. И., Трубецков Д. И., Введение в теорию колебаний и волн, M., 1984. В. А. Солнцев.