187105. lajstromszámú szabadalom • Kapcsolási elrendezés nagyfrekvenciás aktív eszközt tartalmazó áramkörben a nagyfrekvenciás aktív eszköz reflektált teljesítménytől való védelmére
1 187 105 2 A találmány tárgya kapcsolási elrendezés nagyfrekvenciás aktiv eszközt, például félvezető eszközt, vagy haladóhullámú csövet, vagy hátrálóhullámú csövet tartalmazó áramkörben, például erősítőben, vagy oszcillátorban a nagyfrekvenciás aktív eszköz reflektált teljesítménytől való védelmére, különösen koaxális kimeneti csatlakozóval hasznos terhelésre kapcsolódó áramkör esetében. Nagyfrekvenciás aktív eszközök elsősorban különböző erősítő és oszcillátor áramkörökben igen széles körben alkalmazottak. Annak érdekében, hogy működésük üzembiztos, ill. zavarmentes legyen, számos követelménynek kell eleget tenni. E követelmények közé tartozik, hogy a nagyfrekvenciás aktív eszköz be- és kimenetére egy adott teljesítményszintet meghaladó jel nem kerülhet. A megengedhető teljesítményszint nagysága az adott eszköz felépítésétől, belső tulajdonságaitól függ. E szint túllépése működési zavart, súlyosabb esetekben a nagyfrekvenciás aktív eszköz részleges, vagy teljes tönkremenetelét idézheti elő. Ez utóbbit az esetek többségében a közvetett (okozott) termikus hatás váltja ki. Különös elővigyázat szükséges e tekintetben a félvezetőkkel felépített erősítő és jelkeltő rendszerekben, mivel a nagyfrekvenciás, s azon belül főleg a mikrohullámú félvezető eszközök rendkívül sérülékenyek mindennemű túlterheléssel szemben. Nem mentesek teljesen e problémáktól a különböző elektronsugaras eszközök sem, mint pl. a haladóhullámú- és hátrálóhullámú csövek, s egyes klisztron fajták, jóllehet lényegesen kevésbé sérülékenyek a félvezetőknél. Nagyfrekvenciás jellegű túlterhelés létrejöttéhez nem okvetlenül szükséges, hogy a jel külső jelforrásból származzék. Az esetek jelentős részében magában az aktív eszközben is előállhat működés közben akkora teljesítményszint, amely ha az eszközben disszipálódhatna, károsodást okozna. Erre klasszikus példaként hozható fel egy akár tranzisztoros, akár elektroncsöves B, vagy C osztályú hagyományos erősítő, amelyből megfelelő kivezérlés esetén az aktív eszközre megengedhető disszipációs teljesítmény többszörösének megfelelő jelteljesítmény vehető ki. Ha e teljesítmény valamilyen formában az aktív eszközre visszajuthat, akkor az tönkremegy. Rendkívül problematikus a helyzet akkor, ha ultrarövidhullámú, vagy mikrohullámú frekvenciasávokban kell dolgozni. E frekvenciákon a működő egységes mechanikai méretei a hullámhosszal öszszemérhetők. Tervezésüknél és alkalmazásuknál a hullámtan törvényeit kell figyelembe venni. Amennyiben e frekvenciákon működő két, egymással összekapcsolt egység impedanciálisan nem illeszkedik egymáshoz, akkor a csatlakozó ponthoz beérkező nagyfrekvenciás teljesítmény az impedancia iilesztetlenségétől föggő mértékben visszaverődik abba az egységbe, ahonnan érkezett. Ha az illesztetlenség mértéke extrán nagy, azaz a csatlakozási pontnál rövidzár vagy szakadás jelentkezik, a teljes beérkező teljesítmény visszaverődik. Ha ez utóbbi helyzet pl. egy lánckapcsolású tranzisztoros vagy negatív ellenálláskarakterisztikájú eszközökkel épített nagyobb teljesítményű nagyfrekvenciás félvezetős erősítő esetén előállhat kellő védelem hiánya esetén katasztrofális hibásodással jár. További példaként említhető a haladóhullámú csővel kapcsolatos probléma. A haladóhullámú csövek nagyfrekvenciás, főleg mikrohullámú jelek erősítésére szolgálnak. Az erősítés a csőben egy kölcsönhatási folyamat eredményeként jön létre. Az energetikai kölcsönhatás a csőbe bevezetett mikrohullámú jel és a csőben kialakított hosszú elektronnyaláb között keletkezik, melynek során az elektronnyaláb egyenáramú energiájának csökkenése árán a cső nagyfrekvenciás kimenetén a betápláltnál nagyobb kimenő teljesítményt nyerhetünk. Az energetikai kölcsönhatás feltétele az, hogy csőben teijedő elektromágneses tér és az elektronnyaláb elektronjainak haladási sebessége közel azonos legyen. Az elektronnyaláb a haladóhullámú cső ún. lassítóvonalának tengelyében halad. A lassítóvonal a nagyfrekvenciás elektromágneses tér csötengely irányú sebességét „állítja be” az elektronok sebességével közel azonos, megkívánt értékre. Ez általában a fénysebesség 1/30-1/10-e. Az elektronnyalábot elektronágyú hozza létre, együttartását pedig csőtengellyel párhuzamos irányú mágnestér biztosítja. A lassitóvonal az esetek jelentős részében valamilyen huzalspirál (helix), amelyet dielektromos kitámasztók merevítenek. A felerősítendő jelet a lassítóvonal elektronágyú felőli végén táplálják be a lassítóvonalba és a felerősített jelet a másik végén csatolják ki. A haladóhullámú cső begerjedését a cső nagyfrekvenciás be- és kimenete közé a dielektromos kitámasztóra felvitt csillapítóréteggel akadályozzák meg. Az erősítés legnagyobb része e csillapítóréteg és a csőkimenet közti szakaszon keletkezik. Amennyiben a haladóhullámú cső kimeneti áramkörében valamilyen áramköri illesztési hiba keletkezik, a csőből eltávozó nagyfrekvenciás jel teljesítménynek egy része, kedvezőtlen esetben - a nagyfrekvenciás kimenet rövidzárásakor vagy megszakításakor - gyakorlatilag az egésze reflektálódhat és a nagyfrekvenciás ldmenő csatlakozón át visszatér a cső lassitóvonal áramkörébe. A cső felépítése következtében e visszaverődött teljesítmény legnagyobb része a vékony csillapítórétegen dissídpálódik, ill. ezen alakul át hővé. Már közepes teljesítményű, néhány tíz wattos haladóhulláinú csövek esetében is fennáll annak veszélye, hogy a kimenő teljesítmény teljes reflexiója esetén a csillapítóréteg a megengedettnél lényegesen jobban felmelegszik, károsodik. A károsodás kiterjedhet esetleg magára a lassítóvonalra is. A fent ismertetett hatás ellen a nagyfrekvenciás aktív eszközöket védeni szokták. A reflektált nagyfrekvenciás jelnek az aktiv eszközre történő visszajutásának meggátlására több módszert is kidolgoztak. Az egyik, legklasszikusabbnak számító megoldás egy megfelelő mechanikai elrendezés alkalmazása volt, amely eleve lehetetlenné tette, hogy a nagyfrekvenciás aktív eszközzel (eszközökkel) működő egység pl. egy erősítő, vagy egy oszcillátor és annak terhelése üzemközben oldható, vagy hozzáférhető 5 10-15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 2
