Рис. 4-49. Прямоугольный объемный резонатор.

Рис. 4-50. Цилиндрический объемный резонатор.

Резонансная длина волны определяется размерами резонаторов и типом волны. Например, для прямоугольных резонаторов

+ +

Ь2 /2

Для настройки резонаторов на нужную частоту одну из его стенок выполняют в виде передвижного поршня.

Объемные резонаторы обладают такими же достоинствами, как и волноводы. Отсутствие потерь на излучение и незначительность потерь в металлических стенках приводят к весьма большим значениям добротности (десятки и сотни тысяч).

Объемные резонаторы широко применяются в современных генераторных и усилительных лампах. В маяч-ковых триодах, клистронах и магнетронах они являются неотъемлемыми частями конструкции лампы. Объемные резонаторы находят применение в измерительной технике (например, для создания волномеров), а также в устройствах для стабилизации частоты генераторов.

4-4. ВОЗДЕЙСТВИЕ СИГНАЛА НА НЕЛИНЕЙНЫЕ РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ ЦЕПИ

Нелинейные цепи

Нелинейными радиотехническими цепями называются цепи, которые, помимо э. д. с. и линейных сопротивлений, содержат нелинейные элементы (нелинейные сопротивления). К нелинейным элементам цепей относят электронные, ионные, а также полупроводниковые приборы, параметры которых не являются постоянной величиной, а зависят от величины протекающих через эти приборы токов или величины действующих на них напряжений. ,

Свойства нелинейного сопротивления выражаются его воль т-а мперной характеристикой, которая представляет собой зависимость тока, протекающего через нелинейное сопротивление, от напряжения, приложенного к нему:

I = f(U).

Между током и напряжением в нелинейном элементе нет прямой пропорциональности. Вольт-амперные характеристики нелинейных элементов либо обладают кривизной, либо являются ломаными.

На рис. 4-51 представлена типичная вольт-амперная характеристика и показано построение, с помощью которого можно по известному напряжению U (f) на концах нелинейного сопротивления найти ток / (f), протекающий через это сопротивление. Точка М называется рабочей

точкой. Она определяется постоянной составляющей напряжения U, приложенного к нелинейному сопротивлению, и током /ц, текущим по нелинейному сопротивлению под действием этого постоянного напряжения. Если постоянное напряжение батареи C/g действует на последовательное соединение нелинейного сопротивления и линейного сопротивления R, то для нахождения рабочей

Рис. 4-51. Нахождение тока в цепн нелинейного сопротивления.

точки нужно уменьшить C/g на величину падения напряжения на линейном сопротивлении IR. Для этого из точки f/g на оси абсцисс нужно провести прямую под углом а == arc tg к вертикали. Искомая рабочая точка является точкой пересечения этой прямой с вольт-ампёрной характеристикой (рис. 4-52).

Выбор рабочей точки обусловливает тот или иной режим работы нелинейной цепи.

Рис. 4-52. Нахождение рабочей точки на вольт-амперной характеристике.

Принцип наложения для нелинейных элементов неприменим. Пусть, например, к нелинейному сопротивлению с квадратичной вольт-амперной характеристикой

/= аС/2

приложены два напряжения:

В нелинейном сопротивлении возникает ток

/ = а (f/i + и if = nU\ + laXJ-JJi + aU\,

в то время как по принципу наложения мы должны были получить:

/д = al/j; /г = aV\

и

/ = Л + /2 = at/? -Ь aUl.

При воздействии на нелинейную цепь внешней э. д. с. в цепи возникают токи, имеющие но ые частоты, не содер-. жащиеся в составе внешней э. д. с. Это видно, например, из рис. 4-51, согласно которому синусоидальное напряжение, приложенное к нелинейному сопротивлению, вызывает в нем несинусоидальный ток, т. е. приводит к появлению новых частот, которых не было в составе приложенного напряжения.

Таким образом, спектр отклика нелинейной цепи богаче частотными составляющими, чем спектр воздействия. Это обстоятельство широко используют в радиотехнике для преобразования спектра сигнала.

Необходимо отметить, что появление в спектре отклика новых частот, не содержащихся в спектре воздействия, происходит не только в нелинейных цепях, но также и в линейных цепях с изменяющимися во времени параметрами.В отличие от нелинейных процессов явления в цепях с изменяющимися параметрами называются параметрическими явлениями. Простейшим примером подобных явлений является работа угольного микрофона, в котором изменение сопротивления, обусловленное колебаниями мембраны, приводит к изменению тока в цепи, питаемой от источника постоянной э. д. с, и, следовательно, к появлению в цепи микрофона токов звуковой частоты, не содержащихся в составе приложенной э. д. с.

Ниже дается краткий обзор основных радиотехнических процессов (генерация, модуляция, детектирование, преобразование частоты и др.), которые сопровождаются преобразованием частотного спектра сигнала в нелинейных цепях и в цепях с изменяющимися параметрами.

Стабилизация тока

Для уменьшения колебаний тока в цепи в условиях изменяющегося напряжения сети, в цепь последовательно

Рис. 4-53. Стабилизация тока.

С нагрузкой включают нелинейное сопротивление, величина которого возрастает при увеличении напряжения питания. Это означает, что наклон вольт-амперной харак-

теристики должен уменьшаться по мере роста напряжения (рис. 4-53). Тогда значительным колебаниям непряжения Af/o будут соответствовать небольшие колебания тока в цепи Д/.

В качестве стабилизаторов тока используются диод, работающий в режиме насьпцения, и бареттер, представляющий собой наполненный водородом баллон с железной нитью, сопротивление которой увеличивается по мере роста тока и связанного с этим увеличения температуры.

Стабилизация напряжения

Иногда требуется уменьшение колебаний напряжения на нагрузке при резких скачках тока или сопротивления нагрузки. В этом случае последовательно с нагрузкой

Рис. 4-54. Стабилизация напряжения.

включают нелинейное сопротивление, величина которого уменьшается при увеличении тока в цепи. Это означает, что наклон вольт-амперной характеристики должен возрастать по мере роста тока (рис. 4-54). Тогда значительным колебаниям тока Д/ будут соответствовать небольшие колебания напряжения на нагрузке Д{/д.

Для стабилизации напряжения применяются газоразрядные лампы или электронные схемы стабилизации.

Умножение частоты

При умножении частоты электронную лампу ставят в такой режим, чтобы синусоидальное воздействие на вход схемы вызывало богатый гармониками отклик на ее выходе. Гармоника желаемой кратности (-2-я, 3-я и т. д.) может быть выделена фильтром, включенным на выходе.

Выпрямление

Целью выпрямления является получение постоянного тока из переменного. Простейшая схема однополупериодного выпрямителя (рис. 4-55) содержит нелинейный элемент, обладающий значительной проводимостью при протекании тока в одно!? направлении и почти нулевой проводимостью при протекании тока в другом направлении. Вольт-амперная характеристика такого выпрямителя может быть представлена ломаной линией. Рабочая точка выбирается в месте излома (рис. 4-55). Синусоидальное напряжение U, действующее в такой цепи, вызовет импульсы тока, протекающие лишь во время положительных полупериодов напряжения. Спектр выпрямленного тока содержит постоянную составляющую, первую гармонику и все четные гармоники. Все гармоники могут быть устранены с помощью фильтра нижних частот (см. стр. 59).

Чаще применяют двухполупериодный выпрямитель, в котором два нелинейных элемента действуют на одну

Ряс. 4-55. Одиополуперкодное выпрямление.

нагрузку и работают как бы по очереди, пропуская за каждый полупериод ток в одном направлении (рис. 4-56).

Спектр выпря-мленного тока содержит постоянную составляющую и все четные гармоники, устраняемые фильтром нижних частот. Поскольку при двухполупериодном

Рис. 4-56. Двухполупериодиое выпрямление.

выпрямлении первая гармоника отсутствует в спектре пульсаций, то частота среза фильтра

Шс =

может быть взята вдвое больщей по сравнению с однополу-периодным выпрямителем, а емкости и индуктивности фильтра - вдвое ыеньщими.

Другим достоинством двухполупериодного выпрямителя по сравнению с однополупериодным является вдвое большая величина постоянной составляющей выпрямленного тока.

Детектирование

Осуществляемый передающим устройством процесс модуляции (см. стр. 38) заключается в переносе спектра' сигнала, содержащего информацию, в область высоких частот. Основной задачей приемного устройства является обратное преобразование, целью которого служит получение модулирующих частот из принятых высокочастотных модулированных колебаний. Это преобразование, называемое детектированием, происходит при воздействии модулированных колебаний на специальный нелинейный элемент приемника -детектор.

э э

CJCi

Э Э

Рис. 4-57. Спектр амплитудно-модулироваиных колебаний (с) и спектр тока в цепи квадратичного детектора (6).

Рассмотрим сначала работу квадрати чч!о,-г о детектора AM колебаний, вольт-амперная характеристика которого может быть представлена полиномом второй степени,

1= /,+ aU+ рС/2. Пусть на такой детектор воздействует высокочастотное' напряжение, модулированное одной частотой Q,

С/ = f/o (1 + m sin Qt) sin at =

= C/oSino<+--mt/oCOS ( 0 + Q)t+ mC/oCOS(co - Q)t.

После подстановки и несложных тригонометричеасих преобразований получим:

/ = /о + а

С/о Sin at -f cos (ш + Q) < -f

-f -cos(co-fi)f

+ р|-(1-соз2ш0

-~ (cos 2(i)f + COS 2 Qf) -f

[2 + cos 2 (Ш -f fi) f + cos 2 (ш - fi) -f

+ -~- [sin (2o + Q)t - sin (2o - fi) f + 2 sin Qt] .

Спектр тока в цепи квадратичного детектора представлен на рис. 4-57. Кроме высокочастотных составляющих, имеющихся в составе модулированных колебаний, в токе