Задачник по устройствам генерирования и формирования радиосигналов

ЗАДАЧНИК 
по устройствам генерирования  
и формирования радиосигналов

Учебное пособие для вузов

Рекомендовано Учебно-методическим объединением 
 вузов Российской федерации по образованию в области 
радиотехники, электроники, биомедицинской техники 
 и автоматизации в качестве учебного пособия для студентов 
высших учебных заведений, обучающихся по направлению 
 210300 «Радиотехника» 

Москва, 2023

Гарматюк С. С.

2-е издание, электронное

УДК 621.373(075.8)
ББК 32.841я73-1
Г20

Рецензенты: 
профессор МЭИ (ТУ) В. Н. Кулешов, 
профессор СпбГЭТУ (ЛЭТИ) А. В. Митрофанов

Г20
Гарматюк, Сергей Сергеевич.
Задачник по устройствам генерирования и формирования радиосигналов : 
учебное пособие для вузов / С.С. Гарматюк. — 2-е изд., эл. — 1 файл pdf : 674 с. — 
Москва : ДМК Пресс, 2023. — Систем. требования: Adobe Reader XI либо Adobe 
Digital Editions 4.5 ; экран 10". — Текст : электронный.
ISBN 978-5-89818-384-4

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.

УДК 621.373(075.8) 
ББК 32.841я73-1

Электронное издание на основе печатного издания: Задачник по устройствам генерирования и 
формирования радиосигналов : учебное пособие для вузов / С.С. Гарматюк. — Москва : ДМК Пресс, 
2015. — 672 с. — ISBN 978-5-97060-253-9. — Текст : непосредственный.

Все права защищены. Любая часть этой книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме 
и какими бы то ни было средствами без  письменного разрешения владельцев авторских прав.
Материал, изложенный в данной книге, многократно проверен. Но поскольку вероятность технических 
ошибок все равно существует, издательство не может гарантировать абсолютную точность и правильность приводимых сведений. В связи с этим издательство не несет ответственности за возможные ошибки, связанные с 
использованием книги.

В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений, установленных техническими средствами защиты авторских прав, правообладатель вправе требовать от нарушителя возмещения убытков или выплаты компенсации.

ISBN 978-5-89818-384-4
© Гарматюк С. С., 2012
© Оформление, издание, ДМК Пресс, 2015

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

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

ОГЛАВЛЕНИЕ

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

ОГЛАВЛЕНИЕ
6

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

ОГЛАВЛЕНИЕ

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

ОГЛАВЛЕНИЕ
8

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

ОГЛАВЛЕНИЕ

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

ОГЛАВЛЕНИЕ
10

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