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

10 кВт на частоте f

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.

Генератором высокостабильных колебаний миллиметрового диапазона является оротрон- прибор с прямолинейным электронным потоком, взаимодействующим с полем открытого резонатора, в к-рый помещена металлич. решётка. Взаимодействие прямолинейного потока с эл–магн. полем и группировка за счёт воздействия на электроны продольной составляющей поля характерны для СВЧ-приборов -типа.

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.

Устройство, в котором создаются и поддерживаются электромагнитные колебания заданной частоты, называется генератором электромагнитных колебаний.

Основной элемент такого генератора – колебательный контур, состоящий из катушки и конденсатора.

Если соединить пластины заряженного конденсатора через катушку (рис. 18.7а), конденсатор начнет разряжаться, и через катушку пойдет электрический ток.

Вследствие явления электромагнитной индукции сила тока в катушке будет увеличиваться постепенно и достигнет максимума, когда конденсатор полностью разрядится (рис. 18.7б).

Однако из-за явления электромагнитной индукции после разрядки конденсатора ток не прекратится мгновенно: он будет продолжать течь еще некоторое время в том же направлении, снова заряжая пластины конденсатора (рис. 18.7в).

После этого весь процесс повторится в «противоположном» направлении, и колебательный контур вернется в «исходное состояние» – готовый к новым колебаниям.

Таким образом, электромагнитные колебания возникают по той же причине, что и механические колебания, то есть вследствие явления инерции: в случае электромагнитных процессов инерция обусловлена явлением электромагнитной индукции.

При электромагнитных колебаниях происходят периодические превращения энергии: энергия электрического поля превращается в энергию магнитного поля, а затем энергия магнитного поля снова превращается в энергию электрического поля.

Английский физик Дж. Дж. Томсон вывел формулу для периода электромагнитных колебаний в контуре: где – индуктивность катушки, – емкость конденсатора. Из формулы Томсона следует, что, изменяя и можно генерировать электрические колебания заданной частоты.

При излучении электромагнитных волн расходуется энергия, поэтому колебательный контур необходимо постоянно «подпитывать» энергией. С этой целью колебательный контур периодически (с частотой, равной частоте колебаний в контуре) подключается к источнику тока. Этими подключениями «управляет» сам колебательный контур с помощью электронного устройства, называемого транзистором.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ КОЛЕБАНИЯ.
СВОБОДНЫЕ И ВЫНУЖДЕННЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ.

Электромагнитные колебания – взаимосвязанные колебания электрического и магнитного полей.

Электромагнитные колебания появляются в различных электрических цепях. При этом колеблются величина заряда, напряжение, сила тока, напряженность электрического поля, индукция магнитного поля и другие электродинамические величины.

Свободные электромагнитные колебания возникают в электромагнитной системе после выведения ее из состояния равновесия, например, сообщением конденсатору заряда или изменением тока в участке цепи.

Это затухающие колебания, так как сообщенная системе энергия расходуется на нагревание и другие процессы.

Вынужденные электромагнитные колебания – незатухающие колебания в цепи, вызванные внешней периодически изменяющейся синусоидальной ЭДС.

Электромагнитные колебания описываются теми же законами, что и механические, хотя физическая природа этих колебаний совершенно различна.

Электрические колебания – частный случай электромагнитных, когда рассматривают колебания только электрических величин. В этом случае говорят о переменных токе, напряжении, мощности и т.д.

Колебательный контур – электрическая цепь, состоящая из последовательно соединенных конденсатора емкостью C, катушки индуктивностью L и резистора сопротивлением R.

Состояние устойчивого равновесия колебательного контура характеризуется минимальной энергией электрического поля (конденсатор не заряжен) и магнитного поля (ток через катушку отсутствует).

Величины, выражающие свойства самой системы (параметры системы): L и m, 1/C и k

величины, характеризующие состояние системы:

величины, выражающие скорость изменения состояния системы: u = x'(t) и i = q'(t) .

ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ КОЛЕБАНИЙ

Можно показать, что уравнение свободных колебаний для зарядаq = q(t) конденсатора в контуре имеет вид

где q" – вторая производная заряда по времени. Величина

является циклической частотой. Такими же уравнениями описываются колебания тока, напряжения и других электрических и магнитных величин.

Одним из решений уравнения (1) является гармоническая функция

Период колебаний в контуре дается формулой (Томсона):

Величина φ = ώt + φ, стоящая под знаком синуса или косинуса, является фазой колебания.

Фаза определяет состояние колеблющейся системы в любой момент времени t.

Ток в цепи равен производной заряда по времени, его можно выразить

Чтобы нагляднее выразить сдвиг фаз, перейдем от косинуса к синусу

ПЕРЕМЕННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

1. Гармоническая ЭДС возникает, например, в рамке, которая вращается с постоянной угловой скоростью в однородном магнитном поле с индукцией В. Магнитный поток Ф , пронизывающий рамку с площадью S ,

где- угол между нормалью к рамке и вектором магнитной индукции .

По закону электромагнитной индукции Фарадея ЭДС индукции равна

где – скорость изменения потока магнитной индукции.

Гармонически изменяющийся магнитный поток вызывает синусоидальную ЭДС индукции

где – амплитудное значение ЭДС индукции.

2. Если к контуру подключить источник внешней гармонической ЭДС

то в нем возникнут вынужденные колебания, происходящие с циклической частотой ώ, совпадающей с частотой источника.

При этом вынужденные колебания совершают заряд q, разность потенциалов u , сила тока i и другие физические величины. Это незатухающие колебания, так как к контуру подводится энергия от источника, которая компенсирует потери. Гармонически изменяющиеся в цепи ток, напряжение и другие величины называют переменными. Они, очевидно, изменяются по величине и направлению. Токи и напряжения, изменяющиеся только по величине, называют пульсирующими.

В промышленных цепях переменного тока России принята частота 50 Гц.

Для подсчета количества теплоты Q, выделяющейся при прохождении переменного тока по проводнику с активным сопротивлением R, нельзя использовать максимальное значение мощности, так как оно достигается только в отдельные моменты времени. Необходимо использовать среднюю за период мощность – отношение суммарной энергии W, поступающей в цепь за период, к величине периода:

Поэтому количество теплоты, выделится за время Т:

Действующее значение I силы переменного тока равно силе такого постоянного тока, который за время, равное периоду T, выделяет такое же количество теплоты, что и переменный ток:

Отсюда действующее значение тока

Аналогично действующее значение напряжения

Трансформатор – устройство, увеличивающее или уменьшающее напряжение в несколько раз практически без потерь энергии.

Трансформатор состоит из стального сердечника, собранного из отдельных пластин, на котором крепятся две катушки с проволочными обмотками. Первичная обмотка подключается к источнику переменного напряжения, а к вторичной присоединяют устройства, потребляющие электроэнергию.

называют коэффициентом трансформации. Для понижающего трансформатора К > 1, для повышающего

Пример. Заряд на пластинах конденсатора колебательного контура изменяется с течением времени в соответствии с уравнением . Найдите период и частоту колебаний в контуре,циклическую частоту, амплитуду колебаний заряда и амплитуду колебаний силы тока. Запишите уравнение , выражающее зависимость силы тока от времени.

Из уравнения следует, что . Период определим по формуле циклической частоты

Зависимость силы тока от времени имеет вид:

Амплитуда силы тока.

Ответ: заряд совершает колебания с периодом 0,02 с и частотой 50 Гц, которой соответствует циклическая частота 100 рад/с, амплитуда колебаний силы тока равна 510 3 А, ток изменяется по закону:

i=-5000 sin100t