УДК 621.373(075.8)
ББК 32.841я73-1
Г20
Рецензенты: профессор МЭИ (ТУ) Кулешов В. Н.,
профессор СпбГЭТУ (ЛЭТИ) Митрофанов А. В.
Г20
Гарматюк С. С.
Задачник по устройствам генерирования и формирования
радиосигналов. Учебное пособие для вузов. Рекомендовано
УМО.– М.: ДМК Пресс, 2015. – 672 с.
ISBN 978-5-97060-253-9
Книга содержит 2000 задач и вопросов по характеристикам и параметрам
высокочастотных активных элементов; электромагнитным цепям ВЧ и
СВЧ; энергетическим соотношениям в генераторах; ключевым и широкополосным
усилителям; устройствам сложения мощностей; умножителям частоты;
автогенераторам и синтезаторам частот; передатчикам с амплитудной,
однополосной, импульсной и угловой модуляцией; генераторам на пролётных
клистронах, магнетронах, митронах, ЛБВ; ламповым, транзисторным и
диодным генераторам СВЧ, а также квантовым генераторам.
По каждому разделу задачника даны основные расчетные соотношения,
приближённые к практическим. Для всех задач приведены решения и ответы.
В приложениях помещены справочные материалы и программы расчетов.
Задачник рассчитан на студентов, изучающих дисциплины «Устройства
генерирования и формирования радиосигналов» или «Радиопередающие
устройства», а также смежные дисциплины: «Теория радиотехнических цепей»,
«Электроника», «Схемотехника», «Устройства СВЧ и антенны», «Теория
колебаний» и др. Книга содержит большое количество схем, расчетных
формул и примеров расчета и потому будет полезна в качестве справочника
студентам при курсовом и дипломном проектировании, инженерно-техническим
работникам и квалифицированным радиолюбителям.
Гарматюк Сергей Сергеевич
ЗАДАЧНИК
по устройствам генерирования и формирования радиосигналов
Учебное пособие для вузов
Главный редактор Мовчан Д. А.
dmkpress@gmail.com
Корректор Синяева Г. И.
Верстка Паранская Н. В.
Гарнитура «Петербург». Печать офсетная.
Усл. печ. л. 41,16. Тираж 100 экз.
Дизайн обложки Мовчан А. Г.
×90 / .
Формат 60
1
16
Сайт издательства: www.дмк.рф
© Гарматюк С. С., 2012
ISBN 978-5-97060-253-9 © Оформление, издание, ДМК Пресс, 2015
Стр.3
КРАТКОЕ ОГЛАВЛЕНИЕ
ОГЛАВЛЕНИЕ ......................................................................4
ПРЕДИСЛОВИЕ .................................................................12
РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РЕШЕНИЮ ЗАДАЧ ........................15
СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ ...16
1. ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ
ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ АКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ............ 20
2. РЕЖИМЫ РАБОТЫ АКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ .................37
3. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ЦЕПИ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ
ГЕНЕРАТОРОВ ...................................................................45
4. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СООТНОШЕНИЯ В ГЕНЕРАТОРАХ ...77
5. КЛЮЧЕВЫЕ УСИЛИТЕЛИ ................................................87
6. СЛОЖЕНИЕ МОЩНОСТЕЙ ГЕНЕРАТОРОВ .................... 102
7. ШИРОКОПОЛОСНЫЕ УСИЛИТЕЛИ ............................... 114
8. УМНОЖИТЕЛИ ЧАСТОТЫ .............................................. 136
9. АВТОГЕНЕРАТОРЫ ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ
И СИНТЕЗАТОРЫ ЧАСТОТ ............................................. 143
10. ПЕРЕДАТЧИКИ С АМПЛИТУДНОЙ
И ОДНОПОЛОСНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ ............................ 245
11. ПЕРЕДАТЧИКИ С ИМПУЛЬСНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ ....... 255
12. ПЕРЕДАТЧИКИ С УГЛОВОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ ............... 277
13. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ЦЕПИ ГЕНЕРАТОРОВ СВЧ ...... 297
14. ГЕНЕРАТОРЫ СВЧ НА ЭЛЕКТРОННЫХ ЛАМПАХ,
ТРАНЗИСТОРАХ И ДИОДАХ .......................................... 330
15. КЛИСТРОННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ ..................................... 384
16. ГЕНЕРАТОРЫ НА ЛАМПАХ БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ
ТИПА О ........................................................................... 397
17. ГЕНЕРАТОРЫ МАГНЕТРОННОГО ТИПА ....................... 415
18. КВАНТОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ .......................................... 434
РЕШЕНИЯ И ОТВЕТЫ .................................................... 451
ПРИЛОЖЕНИЯ .............................................................. 658
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ............................... 667
Стр.4
ОГЛАВЛЕНИЕ
КРАТКОЕ ОГЛАВЛЕНИЕ .........................................................3
ПРЕДИСЛОВИЕ ....................................................................12
РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РЕШЕНИЮ ЗАДАЧ ............................15
СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ .... 16
1. ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ
ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ АКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ............ 20
1.1. Статические характеристики генераторных ламп
и транзисторов ........................................................................................20
1.2. Аппроксимация статических характеристик ламп
и транзисторов ........................................................................................23
1.3. Параметры ламп и транзисторов .....................................................24
ЗАДАЧИ И ВОПРОСЫ ......................................................30
Общие задачи и вопросы ...................................................................................30
Характеристики и параметры генераторных ламп ...................................30
Характеристики и параметры биполярных транзисторов .....................31
Характеристики и параметры МДП-транзисторов ..................................33
Характеристики и параметры MOSFET-транзисторов..........................34
Характеристики и параметры IGBT-транзисторов .................................35
Сравнение свойств высокочастотных АЭ....................................................35
2. РЕЖИМЫ РАБОТЫ АКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ .................37
2.1. Классификации режимов по напряженности .............................37
2.2. Нагрузочные характеристики генератора с внешним
возбуждением .........................................................................................39
2.3. Гармонический анализ косинусоидальных импульсов ...........39
ЗАДАЧИ И ВОПРОСЫ ......................................................41
Напряженность режима .....................................................................................41
Угол отсечки ...........................................................................................................42
Общие задачи и вопросы ...................................................................................43
3. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ЦЕПИ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ
ГЕНЕРАТОРОВ ...................................................................45
3.1. Основные параметры колебательных контуров .........................45
3.2. Параллельный колебательный контур ..........................................46
3.3. Последовательный колебательный контур ..................................49
3.4. Связанные колебательные контуры ...............................................51
3.5. Входные цепи генераторов.................................................................52
3.6. Выходные цепи генераторов .............................................................54
3.7. Схемы генераторов ...............................................................................57
Стр.5
ОГЛАВЛЕНИЕ
5
3.8. Фильтрация высших гармоник ........................................................59
3.9. Блокировочные и разделительные элементы .............................61
ЗАДАЧИ И ВОПРОСЫ ......................................................63
Общие задачи и вопросы ...................................................................................63
Параллельный колебательный контур .........................................................64
Последовательный колебательный контур .................................................66
Связанные колебательные контуры ..............................................................66
Входные цепи генераторов................................................................................68
Выходные цепи генераторов ............................................................................69
Схемы генераторов ..............................................................................................70
Фильтрация высших гармоник .......................................................................71
Блокировочные и разделительные элементы ............................................73
4. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СООТНОШЕНИЯ В ГЕНЕРАТОРАХ ...77
4.1. Соотношения для выходных цепей генераторов .......................77
4.2. Соотношения для входных цепей генераторов ..........................79
4.3. Режимы работы генераторов .............................................................79
ЗАДАЧИ И ВОПРОСЫ ......................................................80
Общие задачи и вопросы ...................................................................................80
Энергетические соотношения во входной цепи ........................................81
Энергетические соотношения в выходной цепи .......................................81
Расчет генераторов на максимум общего КПД .........................................86
5. КЛЮЧЕВЫЕ УСИЛИТЕЛИ ................................................87
5.1. Общие расчетные соотношения .......................................................87
5.2. Ключевые широкополосные усилители ........................................90
5.3. Усилители с последовательным колебательным контуром
в цепи нагрузки ......................................................................................92
5.4. Усилители с параллельным колебательным контуром
в цепи нагрузки ......................................................................................94
5.5. Ключевые усилители класса Е .........................................................95
5.6. Активные элементы ключевых генераторов ................................96
ЗАДАЧИ И ВОПРОСЫ ......................................................97
Общие задачи и вопросы ...................................................................................97
Широкополосные КУМ .....................................................................................98
КУМ с последовательным колебательным контуром
в цепи нагрузки ...................................................................................................100
КУМ с параллельным колебательным контуром в цепи нагрузки ..100
Сравнение схем КУМ .......................................................................................101
6. СЛОЖЕНИЕ МОЩНОСТЕЙ ГЕНЕРАТОРОВ .................... 102
6.1. Параллельное включение активных элементов ...................... 102
6.2. Двухтактное включение активных элементов ......................... 103
Стр.6
6
ОГЛАВЛЕНИЕ
6.3. Мостовые схемы сложения мощностей ..................................... 105
ЗАДАЧИ И ВОПРОСЫ .................................................... 108
Общие вопросы ...................................................................................................108
Параллельное включение активных элементов ......................................108
Двухтактное включение активных элементов .........................................110
Мостовые схемы сложения мощностей .....................................................111
7. ШИРОКОПОЛОСНЫЕ УСИЛИТЕЛИ ............................... 114
7.1. Абсолютная полоса частот усилителя. Согласование
импедансов ........................................................................................... 114
7.2. Усилители с переключаемыми фильтрами ............................... 121
7.3. Усилители с раздельными полосами усиления ....................... 122
7.4. Усилители с распределенным усилением .................................. 123
7.5. Двухтактные усилители ................................................................... 124
7.6. Трансформаторы на линиях ........................................................... 126
ЗАДАЧИ И ВОПРОСЫ .................................................... 127
Общие вопросы ...................................................................................................127
Цепи согласования.............................................................................................127
Принцип постоянства полосы .......................................................................128
Параметры цепей согласования ....................................................................128
Усилители с переключаемыми фильтрами................................................131
Усилители с раздельными полосами усиления .......................................132
Усилители с распределенным усилением ..................................................132
Широкополосные трансформаторы ............................................................133
Схемы и режимы работы широкополосных усилителей .....................134
8. УМНОЖИТЕЛИ ЧАСТОТЫ .............................................. 136
8.1. Классификация умножителей частоты ...................................... 136
8.2. Параметры умножителей частоты ............................................... 137
8.3. Умножители частоты с активной нелинейностью .................. 137
8.4. Умножители частоты с нелинейной реактивностью ............. 138
ЗАДАЧИ И ВОПРОСЫ .................................................... 139
Общие задачи и вопросы .................................................................................139
Умножители частоты с активной нелинейностью ..................................140
Умножители частоты с нелинейной реактивностью .............................142
9. АВТОГЕНЕРАТОРЫ ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ
И СИНТЕЗАТОРЫ ЧАСТОТ ............................................. 143
9.1. Структурные схемы и типы автогенераторов .......................... 143
9.2. Автогенераторы с цепью внешней обратной связи ................ 145
9.3. Автогенераторы на двухполюсниках с отрицательным
дифференциальным сопротивлением ......................................... 148
9.4. Схемы автогенераторов.................................................................... 151
Стр.7
ОГЛАВЛЕНИЕ
7
9.5. Расчет электронного режима автогенераторов ........................ 158
9.6. Расчет колебательной системы ..................................................... 163
9.7. Кварцевые автогенераторы ............................................................. 166
9.8. Автогенераторы на ПАВ .................................................................. 174
9.9. Синхронизация и затягивание частоты автогенераторов .... 179
9.10. Стабильность частоты автогенераторов .................................. 183
9.11. Нелинейное уравнение автогенератора ................................... 189
9.12. Метод медленно меняющихся амплитуд.
Квазилинейный метод.................................................................... 191
9.13. Процесс установления амплитуды автоколебаний ............. 195
9.14. Шумы в автогенераторах .............................................................. 196
9.15. Флуктуации частоты и фазы автоколебаний ......................... 199
9.16. Паразитная автогенерация ........................................................... 200
9.17. Синтезаторы стабильных частот ................................................ 203
ЗАДАЧИ И ВОПРОСЫ .................................................... 212
Общие задачи и вопросы .................................................................................212
Автогенераторы с цепью внешней обратной связи ................................214
Автогенераторы на двухполюсниках с отрицательным
дифференциальным сопротивлением .........................................................217
Схемы автогенераторов ....................................................................................218
Расчёт автогенераторов ....................................................................................219
Кварцевые резонаторы .....................................................................................220
Кварцевые автогенераторы .............................................................................222
Управляемые кварцевые генераторы ..........................................................223
ПАВ-резонаторы и ПАВ-линии задержки ................................................224
Автогенераторы и передатчики на ПАВ ....................................................224
Синхронизация частоты автогенераторов .................................................225
Затягивание частоты автогенераторов .......................................................226
Эффект длинной линии ...................................................................................227
Стабильность частоты автогенераторов.....................................................228
Измерение нестабильности частоты ...........................................................229
Нелинейное уравнение автогенератора .....................................................230
Метод медленно меняющихся амплитуд. Квазилинейный метод ....231
Процесс установления амплитуды автоколебаний ................................233
Шумы в автогенераторах ................................................................................234
Флуктуации частоты и фазы автоколебаний ...........................................237
Паразитная автогенерация .............................................................................239
Общие задачи и вопросы по синтезаторам частот ..................................241
Прямые синтезаторы частот ...........................................................................242
Синтезаторы с фазовой автоподстройкой частоты ................................243
Цифровые вычислительные синтезаторы .................................................244
Сравнение свойств синтезаторов .................................................................244
Стр.8
8
ОГЛАВЛЕНИЕ
10. ПЕРЕДАТЧИКИ С АМПЛИТУДНОЙ
И ОДНОПОЛОСНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ ............................ 245
10.1. Амплитудная модуляция .............................................................. 245
10.2. Однополосная модуляция ............................................................ 247
ЗАДАЧИ И ВОПРОСЫ .................................................... 249
Общие задачи и вопросы .................................................................................249
Передатчики с амплитудной модуляцией .................................................249
Передатчики с однополосной модуляцией ...............................................253
11. ПЕРЕДАТЧИКИ С ИМПУЛЬСНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ ....... 255
11.1. Общие соотношения при импульсной модуляции .............. 255
11.2. Модуляторы с частичным разрядом накопительной
емкости ................................................................................................ 256
11.3. Модуляторы с полным разрядом формирующей линии ...... 260
11.4. Коммутаторные приборы .............................................................. 263
ЗАДАЧИ И ВОПРОСЫ .................................................... 268
Общие задачи и вопросы .................................................................................268
Модуляторы с частичным разрядом накопительной емкости ...........269
Модуляторы с полным разрядом формирующей линии .....................273
Коммутаторные приборы ................................................................................276
12. ПЕРЕДАТЧИКИ С УГЛОВОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ ............... 277
12.1. Общие соотношения при угловой модуляции ...................... 277
12.2. Параметры варикапов .................................................................... 280
12.3. Общие соотношения для модуляторов на емкостях
р-n-переходов .................................................................................... 283
12.4. Автотрансформаторная связь модулятора с контуром
автогенератора .................................................................................. 285
12.5. Емкостная связь модулятора с контуром
автогенератора .................................................................................. 287
ЗАДАЧИ И ВОПРОСЫ .................................................... 288
Общие задачи и вопросы .................................................................................288
Передатчики с частотной модуляцией .......................................................289
Параметры варикапов .......................................................................................290
Частотные модуляторы на варикапах .........................................................292
Передатчики с фазовой модуляцией. Преобразование фазовой
модуляции в частотную ...................................................................................294
Усилители мощности сигналов с УМ..........................................................295
13. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ЦЕПИ ГЕНЕРАТОРОВ СВЧ ...... 297
13.1. Параметры колебательных систем генераторов СВЧ ......... 297
13.2. Тороидальные резонаторы ............................................................ 299
13.3. Параметры линий с распределенными постоянными ........ 300
Стр.9
ОГЛАВЛЕНИЕ
9
13.4. Параметры резонаторов на короткозамкнутых
отрезках линий ................................................................................. 304
13.5. Параметры резонаторов на разомкнутых отрезках линий ......309
13.6. Конструкции резонаторов на отрезках линий ....................... 311
13.7. Использование четвертьволновых и полуволновых
резонаторов ........................................................................................ 312
13.8. Связь резонаторов с нагрузкой ................................................... 315
ЗАДАЧИ И ВОПРОСЫ .................................................... 317
Общие задачи и вопросы .................................................................................317
Тороидальные резонаторы ..............................................................................318
Резонаторы на отрезках линий ......................................................................319
Двухпроводные резонаторы ...........................................................................320
Коаксиальные резонаторы ..............................................................................321
Полосковые резонаторы ..................................................................................324
Волноводные резонаторы ................................................................................325
Связь с нагрузкой ...............................................................................................325
Резонансные волномеры и режекторные фильтры ................................328
14. ГЕНЕРАТОРЫ СВЧ НА ЭЛЕКТРОННЫХ ЛАМПАХ,
ТРАНЗИСТОРАХ И ДИОДАХ .......................................... 330
14.1. Генераторы СВЧ на электронных лампах ............................... 330
14.2. Генераторы СВЧ на транзисторах .............................................. 336
14.3. Генераторы СВЧ на диодах ........................................................... 347
ЗАДАЧИ И ВОПРОСЫ .................................................... 364
Общие задачи и вопросы по ламповым генераторам ............................364
Время пролета электронов в лампах ...........................................................365
Параметры генераторных ламп СВЧ ..........................................................366
Схемы и конструкции ламповых генераторов СВЧ ..............................366
Параметры колебательных систем ламповых генераторов .................368
Ламповые автогенераторы СВЧ ...................................................................369
Общие вопросы по транзисторным генераторам СВЧ .........................371
Схемы транзисторных усилителей СВЧ ..................................................372
Повышение КПД транзисторных генераторов ........................................373
Транзисторные автогенераторы СВЧ ........................................................374
Конструкции транзисторных генераторов СВЧ .....................................374
Общие вопросы по диодным генераторам .................................................376
Генераторы на туннельных диодах ...............................................................376
Генераторы на лавинно-пролетных диодах ...............................................377
Генераторы на диодах Ганна ...........................................................................378
Конструкции и эквивалентные схемы диодных генераторов .............379
Управление колебаниями диодных генераторов ....................................381
Стабилизация частоты диодных автогенераторов .................................381
Способы повышения КПД диодных генераторов ..................................382
Стр.10
10
ОГЛАВЛЕНИЕ
Диодные усилители мощности ......................................................................382
15. КЛИСТРОННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ ..................................... 384
15.1. Характеристики и параметры клистронов .............................. 384
15.2. Амплитудная и импульсная модуляция пролетных
клистронов ........................................................................................ 388
15.3. Фазовая модуляция пролетных клистронов .......................... 389
15.4. Энергетические соотношения в двухрезонаторных
пролетных клистронах ............................................................................390
ЗАДАЧИ И ВОПРОСЫ .................................................... 391
Общие задачи и вопросы .................................................................................391
Характеристики и параметры пролетных клистронов .........................392
Модуляция пролетных клистронов .............................................................394
Энергетические соотношения в двухрезонаторных пролетных
клистронах ............................................................................................................395
16. ГЕНЕРАТОРЫ НА ЛАМПАХ БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ
ТИПА О ........................................................................... 397
16.1. Классификация и особенности ламп бегущей волны ......... 397
16.2. Замедляющие структуры .............................................................. 400
16.3. Характеристики и параметры ЛБВ ........................................... 403
16.4. Усиление и модуляция ЛБВ ........................................................ 404
16.5. Экспериментальные характеристики ЛОВ ............................ 408
ЗАДАЧИ И ВОПРОСЫ .................................................... 409
Общие вопросы ...................................................................................................409
Замедляющие структуры ................................................................................409
Характеристики и параметры ЛБВ .............................................................411
Усиление и модуляция ЛБВ ...........................................................................412
17. ГЕНЕРАТОРЫ МАГНЕТРОННОГО ТИПА ....................... 415
17.1. Особенности генераторов магнетронного типа ..................... 415
17.2. Параметры генераторов магнетронного типа ........................ 419
17.3. Рабочие и нагрузочные характеристики магнетронов ....... 421
17.4. Рабочие и нагрузочные характеристики митронов ............. 422
17.5. Рабочие и нагрузочные характеристики амплитронов ...... 424
17.6. Синхронизация генераторов ........................................................ 425
ЗАДАЧИ И ВОПРОСЫ .................................................... 426
Общие задачи и вопросы .................................................................................426
Параметры магнетронов и митронов ..........................................................428
Рабочие характеристики магнетронов и митронов ................................428
Нагрузочные характеристики магнетронов и митронов ......................429
Стабилизация и синхронизация частоты ..................................................430
Модуляция магнетронов и митронов..........................................................431
Стр.11
ОГЛАВЛЕНИЕ
11
Параметры амплитронов .................................................................................432
Нагрузочные характеристики амплитронов.............................................433
Модуляция платинотронов ............................................................................433
18. КВАНТОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ .......................................... 434
18.1. Общие расчетные соотношения.................................................. 434
18.2. Оптические разонаторы ................................................................ 435
18.3. Параметры лазеров .......................................................................... 436
18.4. Модуляция оптического излучения .......................................... 438
18.5. Использование лазеров ................................................................. 442
ЗАДАЧИ И ВОПРОСЫ .................................................... 443
Параметры лазеров ............................................................................................443
Стабильность частоты лазеров ......................................................................445
Модуляция лазеров ...........................................................................................446
Использование лазеров ....................................................................................448
РЕШЕНИЯ И ОТВЕТЫ ......................................................... 451
ПРИЛОЖЕНИЯ ................................................................... 658
1. Параметры генераторных ламп ВЧ ................................................. 658
2. Параметры биполярных транзисторов .......................................... 658
3. Параметры мощных МДП-транзисторов...................................... 659
4. Параметры MOSFET-транзисторов ............................................... 660
5. Параметры IGBT-транзисторов ....................................................... 660
6. Коэффициенты разложения косинусоидального импульса .. 661
7. Таблица коэффициентов разложения
для косинусоидального импульса ................................................... 661
8. Графики коэффициентов разложения
для косинусоидального импульса ................................................... 662
9. Программы расчета резонансных частот резонаторов ............. 663
10. Программы расчета длин резонаторов для основного
типа колебаний и первого продольного обертона ..................... 665
11. Удельное поверхностное сопротивление проводников R11
........ 666
12. Относительная диэлектрическая проницаемость
диэлектриков .......................................................................................... 666
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК .................................... 667
Стр.12