книги из ГПНТБ / Капышев, В. И. Радиопередающие устройства сверхвысоких частот [учеб. пособие]
.pdf39
б) отсутствив»-влияния входного резонатора на форму усиливаемых импульсов.
При импульсной модуляции по управляющему электроду моду ляция производится без изменения ускоряющего напрявения и поэтому не сопровождается паразитной фазовой модуляций*па фронте и спаде выходного импульса. Выше было показано, что вариации фааы при изменении тока луча невелики, поэтому о точки зрения фазовой стабильности выходного сигнала данный способ являетоя наилучшим. Кроме того, качество воспроизве дения модулирующего импульса в сравнении с предыдущими спосо баыи модуляции наиболее высокое.
Рис Л . 20. Эпюры изменения напряжения и фазы.
при импульсной модуляции ускоряющего . напряжения
40
Предварительное возбуждение входного резонатора цоключаат влияние его параметров на форму выходного импульса, Фронт импульоа на выхода клиатрона определяется поочередным нарастанием колебаний в последующих резонаторах, а такие за висит от качества работы модулятора.
Спад импульоа будет зависеть только от формы модулирую щего импульоа и добротности выходного резонатора. Данный опоооб при хорошей форма модулирующего импульса является наилуч шим о точки зрения минимальных искажений выходного импульса.
Необходимая ашцнооть модулятора в атом случае значитель но меньше,чем при модулнции ускоряющего напряжения.
ЛИ Т С Р А Т У Р А
1.Дробов С.А., Бычков С.И. Радиопередающие устройства, "Советское радио", 1969*
2. Лебедев И.В, |
Техника и приборы СВЧ, ч.П,' "Энергия, 1964. |
3. Хэйков А.3 , |
Клистронние передатчики. "Связь", 1367. |
4. Кэлш П .Р., ЯрочкинН.И. Усилительные клистроны. "Совет ское радио", 1967.
5. Минаев М.И. Зависимость фазовой стабильности усилителя на пролетном клистроне от способа импульсной модуляции, “'Вопросы радиоэлектроники", серия общетехкическэя, 1967,
внп. I I , стр, 75.
6.Верещагин Б.М. Модуляция .в генераторах СВЧ. "Советское радио", 1972.
7. Минаев М.й. Электронное омещение фазы в четырехрезонзторноы клистроне при различных способах настройки. |;3кшзйшая школа", 1972, вып. I , ото. 243,
8.Минаев М.И. Многокаскадные передатчики сверхвысоких частот. 1/.РТИ, 1972.
9.Минаев М„И, Искажения модулированных колебаний в уси лителях пролетного типа. КРТИ, 1973.
41
Г Л А В А II
МОЩНЫЕ ЛАМПЫ БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ В
РАДИОПЕРЕДАЮЩИХ УСТРОЙСТВАХ
Г. Общие оведения о ЛЕВ
Лампы бегущей волны (ЛЕВ) иопользуютоя как для уоиления, так и для генерирования высокочастотных колебаний. В зависи мости ьт того, о какой волной (прямой или обратной) осуществ ляется взаимодействие, различают лампы прямой и обратной волны,
Влампах прямой волны движение электромагнитной волны совпадает с направлением движения электронного потока, в лам пах обратной волны влектромагнитная энергия двинется навстре чу электронному потоку.
Вприборах о бегущей волной иопользуютоя широкополосные замедляющие оиотемы, не замкнутые в кольцо, а разомкнутые, нагруженные на согласованную Загрузку. В таких замедляющих системах резонансные явления отсутствуют, Благодаря этому амплитуда высокочастотного поля мало зависит от частоты коле
баний. Этим и объясняется основное преимущество о бегущей вол ной: широкий диапазон электронной перестройки при работе их в режиме автоколебаний и широкополооность при работе в режиме уоиления.
Напомним основные особенности работы ЛЕВ (ри с.в.1).
Рис.ВД. Схематическое изображение ЛЕВ
В случав хорошего согласования замедляющей системы о входным и выходным устройствами при подаче на вход высоночаототных колебаний вдоль замедляющей системы распространяется электромагнитное поле, структура которого в общем случае до вольно сложна и зависит от конструкции системы.
Электронный поток, создаваемый электронной пушкой, движет ся вдоль замедляющей системы, например спирали, взаимодействуя с осевой (продольной) составляющей электрического поля бегу щей волны.
Вследствие периодической структуры замедляющей системы распределение поля бегущей волны вдоль лампы также имеет перио дичеокий характер; области поля, тормозящие электроны, чередуют оя с областями, где поле оказывает на электроны ускоряющее действие.
Элентронная пушка обеспечивает введение в замедляющую си стему практически равномерного по плотности электронного по тока, который в процесса взаимодействия о полем бегущей волны группируется: в электронном потоке образуются области с повы шенной и пониженной плотностью пространственного заряда, т .е . в электронном потоке образуются сгустки электронов. Однако
.это взаимодействие приводит к нарастанию амплитуды бегущей волны по мере ее движения вдоль лампы только при условии,если скорость электронов неоколько превышает фазовую скорость дви жения волны.
При анализе процессов в ЛБВ, который в данном куров на рассматривается, ее можно рассматривать как длинную линию, возбуждаемую генераторами тока, распределенными по длине* Та кое рассмотрение болеэ Точно, воли замедляющая система однород на, т .е . если длина элемента линии (.например, шаг спирали или расстояние между двумя сооеднимй выотунами гребенки) значи тельно меньше длины волны. Для неоднородных йамедляющих систем, в которых длина элемента (например, расстояние между двумя со седними диафрагмами в волноводе) оравнима с длиной волны, спра ведливее аналогий с искусственной длинной линией.
43
Элементарные генераторы тока, питающие элементарные участ ки линии, в оущности учитывают весь процесс группирования элек
тронного потока до входа в данный участок. В каждом участке, электронный поток дополнительно группируется как вследствие геометрической протяженности участкр, так и под действием вы сокочастотного поля, дополнительно влияющего на скорость элек тронов, Поэтому токи эквивалентных генераторов каждых двух со седних элементарных учаотков отличаются не только по фазе, но и по амплитуде.
Совместное решение уравнений, описывающих группирование электронов i; возбуждение линии, показывает, что в линейном приближении поле замедляющей Системы ЛБВ можно представить в • виде 'и трех бегущих волн.
2. Характеристики ЛБВ
Для усилительных ламп бегущей волны могут быть снята сле дующие основные характеристики: амплитудные, чаототные и фазо-
Еые.
Амплитудная характеристика ЛБВ определяет зависимость вы ходной мощности или коэффициента усиления от величины входной мощности при фиксированной частоте и согласованной нагрувке (рис.2,2). Из рисунка видно, что при некотором значении ампли
туды входного сигнала наступает "насыщение", рост выходной мощ ности прекращается. Зто объясняется тем, что при больших ампли тудах входного сигнала окорооть электронов, попавших в тормозя щее поле, уменьшается, они выпадают из синхронизма с бегущей волной.
Рис.2 ,2 , Амплитудная характеристика ЛБВ
44
Рис.2 .3 . Зависимость коэффициента усиления от ускоряющего напряжения
На ри с,2,3 представлена зависимость коэффициента усиления ЛЕВ от величины ускоряющего напряжения. Максимум уоиления соответствует напряжении, при котором скорость электронов имеет оптимальное значение, близкое к скорооти бегущей волны.
Коэффициент усиления большинства ЛЕВ лежит в пределах
20-30 дб.
Частотная характеристика определяет зависимость выходной мощности (или коэффициента усиления) от частоты усиливаемого сигнала при постоянной входной мощности, которая выбирается в пределах линейного участка амплитудной характеристики. При сня тии чаототной характеристики предполагается, что ЛЕВ работает на согласованную нагрузку. На рис.2.4 приведена чаототная ха рактеристика ЛЕВ. Как видно из рисунка, эффективное взаимодей ствие наблюдается в определенной области частот, составляющей 30-40 и более процентов значения оредней частоты.
/
Рис.2 .4 . Частотная характеристика ЛЕВ
45
Как правило, частотная характеристика неравномерная, что объясняется изменением условия взаимодействия электронного лу ча с высокочастотным полем, обусловленных отражениями от вход ного и выходного конца замедляющей оистоыы, неидеальностью согласования о нагрузкой, влиянием высших гармоник, изменением сопротивления связи и т.п .
Под фазовыми характеристиками ЛЕВ обычно понимают группу характеристик, определяющие зависимость разности фаз между ко лебаниями на входе и выходе от различных факторов: входной мощности, напряжений на электродах, тока луча, напряженности магнитного "оля, чаототы.
Знание фазовых характеристик ЛЕВ аиобходимо для оценки эф фективности ряда радиотехнических систем, использующих опти мальную обработку сигнала, а также для оценки искажения сигна лов с широким спектром (Частотно или фазомодулированных коле баний).
Напряжение питания спирали ЛЕВ заметно влияет на сдвиг фа зы в лампе, а пульсация этого напряжения монет привести к па разитной модуляции фазы фоном источника питания. Псокольку за висимость сдвига фазы от напряжения опирали определяет также возможность использования ЛЕВ в схемах частотных и фаэовых мо дуляторов, рассмотрим это явление более подробно. Сдвиг фазы в ЛЕВ определяется скоростью усиливаемой волны Up , которая отличается от фазовой окорости волны, распространяющейся по
опирели |
в |
отоутствие тока |
в лампе Upo . |
Связь этих скоростей |
||
оо скоростью электронов |
1/е |
определяется выражениями |
||||
|
|
Ue - Upo |
|
|
(2,1) |
|
|
|
Ue |
- Up (i~ Cy-h |
(2.2) |
||
где $ |
- |
параметр |
иеспнхронности; |
|
||
у. |
- |
параметр, |
зависящий |
от фазовой |
постоянной усиливае |
|
мой волны;
у «-(ом*m o s -fa s +ase)-
' (2.3)
|
|
|
46 |
QC - параметр пространственного заряда. |
|||
Подставляя |
(2,3) |
в (2,2) о учетом аначзния "вп, найден |
|
ного из (2 ,1 ), |
получим фазовую скорость усиливаемой волны |
||
U p ' |
J k - |
|
Ue |
1-су- |
ft |
t J k |
|
где |
|
Utpo |
|
|
|
|
|
fa' = 0t5i-0,0?Q№ (№ +W Qe) > |
|||
<jV |
= о м |
* а о т . |
|
Параметры |
0<0,2, й QC< / , причем для ЛЕЙ малой и сред |
||
ней мощностей эти величины меньше предельных значений. Поэтому
в большинстве |
случаев можно считать fa = 0,58,. fa |
=0,42. |
|||
При этом сдвиг фазы в ЛБВ |
при чаототе сигнала |
U |
|
||
* |
= |
Ж!?у |
2 '=dSi |
|
(2.4) |
Up |
U 7 *i |
Utpo °г ц |
|
|
|
Учитывая зависимость скорости электронов от ускоряющего |
|||||
напряжения (напряжения на спирали), разложим .(2 .4 ) |
в ряд Тей |
||||
лора при условии, |
что Ue^Ups . |
|
Ue^Upo , |
||
Разлагая (2.4) |
в ряд Тейлора и учитывая, |
что |
|||
найдем, что изменение фазы в ЛБВ при изменении напряжения на опирвли 4 U
При относительно малых изменениях напряжения всеми Члена ми разложения, кроме первого-, можно пренебречь и считать
|
\ |
|
4 % - -0,29Ур |
(Р*9)> |
(2.5) |
или
а У = - № / v j f r (*№?)-
47
Полученное соотношение позволяет оценить изменение фазы
усиливаемого сигнала, обусловленное изменением ускоряющего |
|
|||
напряжения. Поскольку электрическая |
длина ЛББ монет составлять |
|||
.несколько десятков длин волн, |
то при изменении ускоряющего |
|
||
■напряжения да 1% |
сдвиг фазы может изменяться на несколько |
де |
||
сятков традусов. |
Так при N |
=40 и |
-Ш =1% сдвиг составит |
42 |
•градуса.
ио
■Аналогичным образом можно определить зависимость фазового сдвига "от напряжения на первом аноде, который используется для регулировки тока луча.
Выражение для сдвига фазы, обусловленного изменением напря
жения на первом |
аноде Uai |
на величину |
йС1а/ » имеет вид |
|
-- 9 0 |
( t + № C N т * . |
<2-б> |
||
Как видно |
и8 |
сравнения |
этой формулы о формулой '( 2 .5 ) , |
|
'.влияние напряжения на первом аноде на фазовый сдвиг значительтно'меньше, чем влияние ускоряющего напряжения. Действительно, для большинства ЛЕВ величина С = 0,01 * 0,03, QC< I и поэтому лУ/ при том же относительном изменении напряжения более чем
на порядок превышает А Уг .
Напряжение на втором аноде, который имеетоя в ряди ламп, а также ток фокусирующего соленоида влияют на фазовый сдвиг значительно слабее напряжения на первом аноде. При усилении модулированных по амплитуде сигналов в ЛЕВ возможно появление нежелательной фазовой модуляции. С физической точки зрения из
менение фазового сдвига в этом случае обусловлено непостоянст вом мощности, отбираемой от электронного потока, что приводит к изменению скорости электронов.и времени их пролета.
На рио,2,5 представлена типичная фазоамплитудная характе ристика ЛББ. Из рисунка видно, что в режиме насыщения сдвиг фазы в зависимости от входной мощности достигает максимального значения, составляющего несколько деояткоз градусов. Преобра зование амплитудной модуляции в фазовую характеризуется коэф фициентом преобразования амплитудной модуляции в фазовую, вы
48
ражаемым в градусах или радианах на один децибел изменения входной мощности:
„ = № .
Кр т .
Кривая зависимости коэффициента преобразования от входной мощности представлена на рис,2.5.
Максимальное значение коэффициента преобразования имеет меото вблизи максимума мощности, а его величина может дости гать нескольких градусов на децибел. При уровне входной мощнос ти, соответствующем участку насыщения, коэффициент преобразова ния обращается в нуль.
Влияние изменения параметров нагрузки, в частности коэффи циента отражения нагрузки на сдвиг фазы выходного сигнала ЛБВ, может быть оценено следующим образом.
Раочет фазового сдвига, который наблюдается, когда.от луча
отбирается мощность Pfax |
приводит к следующему соотноше |
||
нию: |
|
|
|
|
т а , |
. |
~ |
|
?р0 |
(2*7) |
|
где Po*7oV o - мощность |
луча. |
|
|
Последняя формула, а также все предыдущие получены в пред положении, что ЛБВ работает в линейном режиме.
При работе лампы на несогласованную нагрузку часть высоко частотной энергии отражается от нагрузки, проходит в обратном направлении и поглощается специальным поглотителем,