Многочастотный автогенератор

Изобретение относится к технике проектирования и оптимизации мощных полигармонических источников высокочастотной энергии. Достигаемый технический результат - повышение числа спектральных компонент выходного колебания. Многочастотный автогенератор содержит усилитель с распределенным усилением, в состав которого входят управляемые источники тока, анодная линия, сеточная линия и балластные сопротивления, а также четырехполюсник обратной связи, при этом анодная линия, сеточная линия и четырехполюсник обратной связи представляют собой ряд последовательно соединенных звеньев фильтров нижних частот, а анодная линия усилителя с распределенным усилением и линия четырехполюсника обратной связи расположены на расстоянии, на котором обеспечивается индуктивный характер и необходимая степень распределенной электромагнитной связи между ними. 1 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к технике проектирования и оптимизации мощных полигармонических источников ВЧ-энергии и может быть использовано в качестве источника питания аппаратурно-технологических и аппаратурно-физических комплексов (АТК и АФК), используемых в производстве твердотельных, вакуумных и газоразрядных приборов.

Известен многочастотный генератор с внешним возбуждением на базе усилителя с распределенным усилением (УРУ), служащий источником ВЧ-питания устройства для плазмохимической обработки электронных приборов (а.с. №1776817) и состоящий из управляемых источников тока и неоднородного нагрузочного волнового тракта (анодной линии), представляющего собой ряд последовательно соединенных фильтров нижних частот (ФНЧ).

Однако указанный генератор, принципиально позволяющий получить на выходе многочастотное колебание, обладает следующими недостатками: относительно низкий КПД, высокие стоимость установки и потребление электроэнергии, обусловленные наличием задающего генератора.

Кроме того, известен многочастотный автогенератор, являющийся прототипом предлагаемого изобретения, служащий источником ВЧ-питания устройства для плазмохимической обработки электронных приборов (а.с. №2175153), и представляющий собой генератор с задержанной обратной связью (ГЗОС) на базе УРУ, содержащий управляемые источники тока и неоднородный нагрузочный волновой тракт - анодную линию, представляющую собой ряд последовательно соединенных ФНЧ, выходные зажимы которой через четырехполюсник обратной связи (ЧОС), состоящий из ряда последовательно соединенных ФНЧ, соединены со входными зажимами сеточной линии УРУ, представляющей собой ряд последовательно соединенных ФНЧ, причем элементы указанных ФНЧ анодной линии УРУ и ЧОС выбраны таким образом, чтобы обеспечивать амплитудно-фазовые условия возбуждения многочастотных автоколебаний. Расстояние между анодной линией базового УРУ и линией ЧОС выбрано из условия равенства нулю величины взаимоиндукции между ними.

Однако указанный многочастотный автогенератор обладает ограниченным спектральным ресурсом, позволяя генерировать в составе сложного колебания всего 3-5 спектральных линий.

Задачей предлагаемого изобретения является создание многочастотного автогенератора, в котором повышается спектральный ресурс, т.е. число спектральных компонент (частот) выходного колебания, без повышения его стоимости.

Поставленная задача достигается тем, что в известном многочастотном автогенераторе, представляющим собой ГЗОС на УРУ, содержащим управляемые источники тока и анодную линию, представляющую собой ряд последовательно соединенных ФНЧ, выходные зажимы которой через ЧОС, состоящий из ряда последовательно соединенных ФНЧ, соединены с входными зажимами сеточной линии УРУ, представляющей собой ряд последовательно соединенных ФНЧ, анодная линия УРУ и ЧОС располагаются на расстоянии, достаточном для обеспечения дополнительной распределенной обратной связи.

На чертеже приведена структурная схема предлагаемого многочастотного автогенератора.

Предлагаемый многочастотный автогенератор содержит УРУ - 1, состоящий из управляемых источников тока (ИТ) - 2, управляющие входы которых соединены с выходами сеточной линии (СЛ) - 3, состоящей из ряда последовательно соединенных ФНЧ - 4, представляющих собой Т-образные реактивные четырехполюсники; выход последнего звена ФНЧ - 4 нагружен на балластную нагрузку (БН) - 5. Выходные зажимы управляемых ИТ - 2, представляющих собой, например, мощные генераторные тетроды, соединены с соответствующими входами ФНЧ - 6, последовательное включение которых образует анодную линию (АЛ) - 7. Вход первого звена ФНЧ - 6 АЛ - 7 соединен с БН - 8. Выход последнего звена ФНЧ - 6 АЛ - 7 соединен со входом ЧОС - 9, состоящего из последовательно соединенных ФНЧ - 10, представляющих собой Т-образные реактивные четырехполюсники, выход последнего звена ФНЧ - 10 соединен со входом СЛ - 3.

Многочастотный автогенератор работает следующим образом: в исходном состоянии в АЛ - 7 УРУ - 1 возбуждаются колебания, имеющие шумовой спектральный состав, обусловленные тепловыми шумами, электромагнитными наводками, шумами активных элементов (ИТ - 2). Для возникновения устойчивых автоколебаний на данной частоте необходимо и достаточно одновременное выполнение амплитудных и фазовых условий самовозбуждения (условия баланса амплитуд и фаз):

ϕ₀(ω₀)+ϕ_b(ω₀)=2πn (2)

где - модуль коэффициента передачи ЧОС - 9 на данной частоте ω₀;

- модуль коэффициента прямой передачи УРУ - 1 на данной частоте ω₀;

ϕ₀(ω₀) - фазовый сдвиг УРУ - 1 на данной частоте ω₀;

ϕ_b(ω₀) - фазовый сдвиг ЧОС - 9 на данной частоте ω₀;

n - целое положительное число.

В силу широкополосности свойств УРУ - 1 и малого затухания колебаний в ЧОС - 9 амплитудные условия самовозбуждения (1) выполняются в дискретных точках полосы пропускания УРУ - 1.

Для реализации в анодной линии АЛ - 7 УРУ - 1 многочастотных (полигармонических) автоколебаний с ограниченным спектром вида:

где I_km - амплитуда гармоник колебания;

ψ_k - начальная фаза гармоник колебания;

k - номер гармоники: k=1, 2, 3,...М;

M - число гармоник;

необходимо выполнение фазового условия (2) для каждой из гармоник (спектральных компонент). Каждая из спектральных компонент с частотами ω, 2ω, 3ω,...Мω приобретает в звеньях ФНЧ - 6 АЛ - 7 и ЧОС - 9 суммарный фазовый сдвиг Nϕ(kω), где N - сумма числа звеньев ФНЧ - 6 АЛ - 7 и ЧОС - 9 (полагаем звенья обладающими одинаковыми фазочастотными характеристиками). Следовательно, для того чтобы на данной частоте kω выполнялось фазовое условие возбуждения устойчивых автоколебаний необходимо, чтобы на данной частоте выполнялось условие:

Nϕ(kω)=2πn, (4)

где n - целое положительное число.

Схемотехнически условие (4) реализуется как подбором количества звеньев ФНЧ, так и выбором схемы отдельных ФНЧ.

Таким образом, при реализации условий самовозбуждения в УРУ - 1 из шумовых флуктуации, присутствующих в АЛ - 7 изначально, происходит выделение колебания с заданным на М-кратных частотах спектральным составом. Однако здесь следует отметить то важное обстоятельство, что условие (2) является необходимым, но недостаточным условием возникновения устойчивых автоколебаний на каждой отдельно взятой частоте, то есть число реально генерируемых спектральных составляющих многочастотного колебания R может оказаться меньше числа разрешенных частот - R≤M. Причины этого следующие:

1) Для ряда разрешенных частот не выполняется условие баланса амплитуд (1).

2) В ситуации некратности разрешенных частот, в спектре, генерируемом активным элементом, могут отсутствовать гармоники, которые соответствовали бы таким частотам.

3) В условиях нелинейной конкуренции преимущество получают низшие гармоники, поскольку они имеют наивысшую относительную (∂U/∂t) скорость нарастания.

Многочастотное колебание с выходных зажимов ЧОС - 9 поступает на вход СЛ - 3, где в каждом из звеньев ФНЧ - 4 претерпевает частотно-зависимый фазовый сдвиг, а затем подается на управляющие электроды ИТ - 2.

Усиленное ИТ - 2 колебание подается на входы ФНЧ - 6 АЛ - 7. Так как сеточная и анодная линии являются дискретными низкочастотными аналогами линий с распределенными параметрами, то происходящие в них процессы можно рассматривать как квазиволновые. Таким образом, в АЛ - 7 возбуждаются прямые (направленные от входа сеточной линии) и обратные (направленные в противоположную сторону) волны напряжения и тока. Напряжение прямых волн с выхода последнего звена ФНЧ - 6 АЛ - 7 поступает на вход первого звена ФНЧ - 10 ЧОС - 9, в котором претерпевает частотно-зависимый фазовый сдвиг, и снова подается на вход СЛ - 3, замыкая тем самым цепь обратной связи.

Часть энергии волн напряжения и тока рассеивается в балластной нагрузке (БН - 5), а часть посредством реализованной распределенной электромагнитной обратной связи между ЧОС - 9 и АЛ - 7 снова поступает в АЛ - 7 в виде напряжения, наведенного по всей ее длине. Расстояние между АЛ - 7 и линией ЧОС - 9 устанавливается таким, чтобы соблюдался компромисс между максимумом степени магнитной связи и минимумом степени электрической связи (т.е. величины распределенной емкости) между указанными линиями.

Произведем сравнительную оценку спектрального ресурса (числа спектральных компонент генерируемого многочастотного колебания) прототипа и предлагаемого многочастотного автогенератора. Амплитудное условие стационарности многочастотного автоколебательного режима представим в следующем виде

В свою очередь выражение для модуля коэффициента передачи УРУ на k-й частоте записывается как

где - динамическая крутизна входной характеристики активного элемента для k-й спектральной компоненты многочастотного колебания, определяемая как

здесь S_ст - статическая крутизна;

- коэффициент разложения для косинусоидального импульса k-й спектральной компоненты;

θ_k - угол отсечки импульсов тока для k-й спектральной компоненты многочастотного колебания;

Z_АЛ - волновое сопротивление анодной линии УРУ;

n₁ - число активных звеньев (каскадов) УРУ.

Условие (5) справедливо как для устройства прототипа, так и для предлагаемого автогенератора, однако введение в структуру последнего распределенной электромагнитной ОС приводит к образованию в анодной линии дополнительной волны (волн) напряжения, т.е. и к росту сопротивления, "ощущаемого" каждым активным элементом (ИТ - 2) :

где i - номер активного элемента;

γ(i) - множитель, зависящий от дискретной координаты.

К_св - коэффициент связи между АЛ - 7 и линией ЧОС - 9 - может доходить до величины 0,1-0,15; может составить .

Таким образом, в условие (5) вносится количественный дисбаланс, что приводит к увеличению числа реально генерируемых спектральных компонент многочастотного колебания R. Процесс спектрообогащения сопровождается и некоторым перераспределением парциальных мощностей между отдельными спектральными компонентами.

Очевидно, что стоимость предлагаемого многочастотного автогенератора не превышает стоимость прототипа, поскольку реализованное в структуре первого спектрообогащение не потребовало введения иных новых элементов, кроме дополнительной распределенной обратной связи, которая осуществляется между АЛ базового УРУ и ЧОС, т.е. между элементами, присутствующими в структуре прототипа.

Таким образом, предлагаемый многочастотный автогенератор, обладая стоимостью, сравнимой со стоимостью прототипа, обладает по сравнению с ним большим спектральным ресурсом, т.е. способен генерировать более обогащенное в спектральном отношении колебание.

Многочастотный автогенератор, представляющий собой генератор с задержанной обратной связью, выполненный по схеме усилителя с распределенным усилением, содержащий управляемые источники тока, выход каждого из которых подключен ко входу соответствующего из последовательно включенных звеньев фильтров нижних частот, образующих анодную линию, выход которой через четырехполюсник обратной связи, состоящий из ряда последовательно соединенных звеньев фильтров нижних частот, соединен со входом сеточной линии усилителя с распределенным усилением, представляющей собой ряд последовательно соединенных звеньев фильтров нижних частот, а вход анодной линии и выход сеточной линии подключены к соответствующим балластным сопротивлениям, выход каждого звена фильтра нижних частот сеточной линии подключен к управляющим входам источников тока, причем элементы фильтров нижних частот анодной линии усилителя с распределенным усилением и четырехполюсника обратной связи выбраны таким образом, чтобы обеспечивать амплитудно-фазовые условия возбуждения многочастотных автоколебаний, отличающийся тем, что анодная линия усилителя с распределенным усилением и линия четырехполюсника обратной связи расположены на расстоянии, на котором обеспечивается индуктивный характер и необходимая степень распределенной электромагнитной связи между ними.