книги из ГПНТБ / Левичев В.Г. Радиопередающие и радиоприемные устройства [учеб. пособие]

менно с увеличением анодного тока произойдет увеличение полез­

прямым. Следовательно, при изменении Ua происходит почти ли­ нейное изменение / а . При этом сравнительно небольшому измене­ нию анодного напряжения соответствует значительное изменение анодного тока. Ввиду этого режим магнетрона обычно контро­ лируют по величине анодного тока.

Вторая причина такого контроля режима магнетрона заклю­ чается в следующем. Амперметр представляет собой очень про­ стой прибор. Импульсный вольтметр на десятки киловольт являет­ ся сложным н дорогим прибором.

Заметим, что линии постоянных мощностей подобны гипербо­ лам. Причина этого видна из уравнения для колебательной мощ­ ности

Если бы КПД магнетрона т| был неизменным в рабочей обла­ сти, то линии постоянных мощностей были бы идеальными гипер­

трона снимают при согласованной нагрузке.

8. Стабилизация частоты

ч

Стабильность частоты магнетронного генератора в значитель­ ной мере влияет на дальность действия радиолокационной стан­ ции и надежность работы линии связи. Поэтому требуется при­ нимать меры стабилизации частоты. Существуют медленные и бы­ стрые изменения частоты. Медленные изменения обусловлены из­ менениями температуры, вращением антенны и медленным изме­ нением питающих напряжений. Во всех этих случаях частота колебаний в импульсе остается неизменной, а от импульса к им­ пульсу изменяется. Быстрые изменения частоты обусловлены из­ менениями напряжения Ua в течение импульса и влиянием несо­ гласованной нагрузки. При этом частота колебаний изменяется в течение длительности импульса.

При изменении температуры анодного блока на 1°С частота

нужно сохранять постоянной. Практически это очень трудно вы­ полнить, так как магнетрон обдувается воздухом и, следователь­ но, его температура зависит от температуры охлаждающего воз­ духа.

120

Для устранения нестабильности, вызванной изменением Ua, применяют стабильный источник £/а и выбирают такой режим ра­ боты магнетрона, при котором изменения Ua мало влияют на ча­ стоту. При импульсной модуляции предъявляются жесткие требо­ вания к форме модулирующего импульса: его вершина должна быть плоской, т. е. напряжение в течение импульса должно быть постоянным.

Несогласованная нагрузка вносит в магнетрон реактивное со­ противление и тем влияет на частоту колебаний. Так как вносимое сопротивление непостоянно и в сильной степени зависит от длины

к нагрузке

передающей линии и частоты, то это приводит к уходу частоты на

на заключается в применении высокоэталонного внешнего резона­ тора. Он подключается к выходной линии (или волноводу) неда­ леко от магнетрона, как показано на рис. 1.94. Резонатор стаби­ лизирует параметры колебательной системы магнетронного гене­ ратора, и тем самым значительно повышает стабильность частоты передатчика РЛС .

§9. УСИЛИТЕЛИ И ГЕНЕРАТОРЫ НА ЛБВ

1.Общие сведения о лампах бегущей волны

Лампы бегущей волны (ЛБВ) применяются для усиления и генерации электрических колебаний в диапазоне дециметровых, сантиметровых и миллиметровых волн. Принцип действия усили­ телей и генераторов с такими лампами основан на длительном взаимодействии замедленной бегущей волны электромагнитного поля с электронным потоком неодинаковой плотности. Время взаимодействия поля и электронного потока (луча) обычно изме­ ряется десятками периодов высокочастотных колебаний.

121

В любой конструкции на ЛБВ имеются следующие элементы:

ны (ЛОВ). Их конструктивное выполнение очень разнообразно.

Наиболее распространенная схема усилителя на ЛБВ изобра­ жена на рис. 1.95.

Разрез -лампы по АБ

I 0 _ f Q + 0 '

Рис. /.95. Схема усилителя на ЛБВ

Основным элементом усилителя является сама лампа. Ее стек­

баллона расположена проволочная спираль 2. Диаметр спирали бывает 3—5 мм. Спираль закреплена четырьмя (или тремя) тон­ кими стержнями 3 из кварцевого стекла или керамики. На одном конце лампы расположена электронная пушка, состоящая из ка­

122

ный провод коаксиальной линии, а ее внутренним проводом яв­ ляется спираль, выполняющая роль замедляющей системы. Ме­ таллический цилиндр соединен с широкими стенками двух волно­ водов, в которых сделаны отверстия для лампы.

Между волноводами намотана основная фокусирующая катуш­ ка 9. Ее часто называют соленоидом. По виткам соленоида про­ ходит постоянный ток, создающий в лампе продольное магнитное поле. Благодаря ему электроны летят внутри спирали очень узким лучом. Предварительная фокусировка электронного луча и сооб­ щение ему кинетической энергии движения осуществляются ано­ дами электронной пушки.

сирующие катушки выполняются из отдельных секций. Каждая секция намотана из оксидированной алюминиевой фольги. Общее число витков фокусирующих катушек огромно. Поэтому напря­ женность фокусирующего магнитного поля внутри ЛБВ получает­ ся порядка десятков ампер на метр.

Из схемы усилителя видно, что спираль лампы с обоих концов соединена с металлическими цилиндрами, имеющими длину, близ­ кую к четверти волны усиливаемых колебаний. Эти цилиндры вме­ сте с наружной металлической трубкой (соединенной с волново­ дами) представляют собой два коаксиальных дросселя. Благодаря им не происходит утечки высокочастотной энергии с обоих сторон лампы.

Концы спирали 7 и 5 выполняют роль переходных устройств. Их часто называют элементами связи между волноводами и лам­ пой или спиральными миниатюрными антенками. Поскольку спи­ раль имеет соединение со вторым анодом, то она находится под положительным потенциалом относительно катода. В паспорте ЛБВ, а также в описаниях конструкций напряжение второго анода часто называют напряжением спирали. Оно бывает порядка сотен или тысяч вольт. На первом аноде напряжение значительно меньше.

Необходимыми элементами усилителя являются два согласую­ щих поршня 11 и 12. При помощи поршня производят согла­ сование входного волновода с лампой для получения режима бе­ гущих волн в этом волноводе. При помощи поршня 12 осуще­ ствляют согласование лампы с выходным волноводом для полу­ чения режима бегущих волн в лампе. Практически обе регулиров­ ки взаимно связаны. Они производятся один раз на заводе и в про­ цессе эксплуатации усилителя не изменяются. Для точной установ­ ки лампы по центру фокусирующего магнитного поля в конструк­ ции усилителя предусматриваются юстировочные (центрирующие) приспособления. Это могут быть эксцентриковые втулки, центри­ рующие винты или иные устройства.

Пользуясь рис. 1.95, разберем физические процессы, происходя­ щие в Л Б В при усилении радиоимпульсов.

.123

1-й случай. Источники питания включены, но сигнала на входе

Сквозь отверстие второго анода электроны движутся равно­ мерным потоком. Магнитное поле фокусирующих катушек удер­ живает электронный поток в виде тонкого луча. Оно не изменяет

Направление движения электромагнитного поля

Рис. 1.96. Электрическое высокочастотное поле бегущей волны внутри спи­ рали при отсутствии электронного потока

энергии электронов. Поэтому внутр-и спирали электроны летят с постоянной скоростью. В любом сечении спирали плотность элек­

При отключенном питании катод Л Б В холодный и электрон­ ного потока в лампе нет. Нет и магнитного поля фокусирующих катушек. Если в это время на вход усилителя поступает радио­ импульс, то во входной спиральной антенне возбуждаются высо­ кочастотные колебания. Они создают в лампе электромагнитное поле высокой частоты, перемещающееся вдоль оси спирали. Кар­ тина высокочастотного электрического поля, возникающего ме­ жду витками спирали, показана на рис. 1.96. Магнитное высоко­ частотное поле, возникающее в ЛБВ, на рисунке не показано.

Если положение породней настройки обеспечивает полное со­ гласование лампы с волноводами, то вдоль оси спирали распро­ страняется только бегущая волна электромагнитного поля. Ско­ рость ее перемещения значительно меньше скорости света. Эта скорость называется фазовой скоростью волны в спирали. Она меньше скорости света во столько раз, во сколько раз длина

124

витка спирали больше шага ее намотки. Поэтому спираль назы­ вают замедляющей системой ЛБВ .

ливаемой волны в 10—30 раз меньше скорости света. В рассма­ триваемом случае в любом сечении спирали действующее значение

напряженности высокочастотного поля одинаково. Поэтому мощ­

коаксиального фидера, в котором электромагнитная энергия рас­ пространяется с малой скоростью.

3-й случай. На вход усилителя поступает высокочастотный сиг­ нал (радиоимпульс) при включенных источниках питания схемы.

Если радиоимпульс (сигнал) поступает на вход усилителя при наличии электронного потока в лампе, то появление бегущей волны высокочастотного электрического поля внутри спирали вы­ зовет группирование электронов в сгустки. Процесс группирова­ ния заряда внутри спирали поясняется рис. 1.97 на примере семи электронов.

нение заряда вокруг электронов 2 и 6, скорость которых неизмен­ на и определяется величиной постоянного напряжения на втором аноде лампы.

135

Из рисунка следует, что сгустки электронов создаются в ме­ стах, предшествующих тормозящему электрическому полю, так как электроны и поле движутся в одном направлении.

Если анодное напряжение выбрано так, что скорость движе­

&эл > &эмэ

Рис. 1.98. Электрическое высокочастотное поле бегущей волны внутри спирали при наличии электронного потока

больше фазовой скорости бегущей волны, то электронные сгустки будут постепенно обгонять высокочастотное поле. Одновременно будет продолжаться процесс концентрации заряда в сгустках.

пряжений на втором аноде. Приведенные графики легко объяс­ нить. При оптимальном напряжении на втором аноде скорость электронных сгустков, образующихся внутри спирали, такова, что они, обгоняя высокочастотное тормозящее поле, покидают его в самом конце лампы. Поэтому процесс торможения сконцентриро-

126

ванного заряда происходит наиболее полно. Следствием этого яв­ ляется наибольший усилительный эффект.

Если напряжение на втором аноде установлено меньше опти­ мального, то электронные сгустки в процессе их полета не успе­ вают испытать торможения в пределах всего участка тормозя­ щего поля и усилительный эффект лампы получается меньше максимально возможного.

F,

Е

в

Рис. 1.100. Мгновенное положение бегущей волны высо­ кочастотного поля сигнала в ЛБВ:

а - если U 3 a = VSl о п т ; б — если U a j < U i t о п т ; в - если V^ >

>опт-

Если же напряжение на втором аноде установлено больше опти­ мального, то каждый сгусток электронов в процессе его полета успевает пролететь не только весь тормозящий участок высокоча­ стотного поля, но и попасть в участок ускоряющего поля. В этом случае максимальная напряженность поля сигнала получается не на конце спирали, и поэтому усилительные свойства ЛБВ исполь­ зуются не полностью.

Выбор оптимального напряжения на втором аноде лампы про­ изводится перемещением движения потенциометра R4 (рис. 1.95).

127

Поскольку измерение напряжения радиоимпульсов в диапазоне сантиметровых волн производить затруднительно, а измерение их мощности не представляет собой труда, то принято указывать и измерять коэффициент усиления усилителя на ЛБВ по мощности. Обычно он бывает равен 20—50 дб. Это означает, что мощность сигнала на выходе усилителя превышает мощность сигнала на входе в сотни или тысячи раз.

Так как в усилителе на ЛБВ входное сопротивление равно вы­ ходному сопротивлению, то его коэффициент усиления по напря­ жению в децибелах равен коэффициенту усиления по мощности.

Усилитель на ЛБВ имеет специфическую особенность. Она за­

усилителя ограничивается только переходными и согласующими устройствами, которые весьма широкополосны.

Полосу пропускания усилителей на ЛБВ принято измерять в процентах от несущей частоты усиливаемого сигнала. Обычно она бывает около 10—40%. Это обстоятельство позволяет усиливать (или генерировать) при помощи ЛБВ радиоимпульсы очень малой длительности (единицы наносекунд).

Рассмотренная конструкция спиральной ЛБВ является про­ стейшей. Наряду с ней имеются и более сложные конструкции.

3. Генераторы на ЛОВ

Типичная конструкция генератора на лампе обратной волны показана на рис. 1.101.

В изображенном образце лампы используется замедляющая система типа «встречные штыри». Данную систему можно рас­ сматривать как отрезок зигзагообразного прямоугольного волно­ вода без узких стенок. В этом волноводе легко возникают колеба­ ния различных частот. Их называют пространственными гармони­ ками. Причиной возникновения многочисленных колебаний в ЛОВ являются шумовые флюктуации электронного потока.

Электромагнитные волны возникающих колебаний начинают распространяться по извилистому волноводу в обоих направле­ ниях. Но только одна из волн быстро нарастает (усиливается сгу­ стками электронов). Все остальные волны почти мгновенно зату­ хают.

Эксперименты показывают, что нарастающая (генерируемая) волна распространяется навстречу электронному потоку и в этом смысле является волной обратной. Ее длина (частота) опреде­ ляется средней скоростью электронов луча, которая зависит от ускоряющего напряжения электронной пушки. Его часто назы­ вают напряжением электронного луча или напряжением электрон­ ного пучка.

128

Поскольку энергия генерируемой волны возрастает по Мере ее удаления от коллектора, то выход генератора на ЛОВ всегда на­ ходится вблизи анодов электронной пушки.

Изменением напряжения луча молено изменять частоту гене­ рируемых колебаний в широких пределах. Такая перестройка ге­ нератора называется электронной, поскольку она осуществляется за счет изменения скорости электронов. Обычно диапазон элек­ тронной перестройки ЛОВ бывает около ±30 — 40% средней ча­ стоты генерируемых колебаний. Столь широкий диапазон плавной перестройки генератора на ЛОВ выгодно отличает его от всех остальных генераторов СВЧ.

5

Выход

Важное свойство генератора на лампе обратной волны заклю­ чается также и в том, что частота генерируемых колебаний прак­ тически не зависит от характера внешней нагрузки. Это объяс­ няется тем, что в ЛОВ нет колебательной системы.

Поясним несколько подробнее физический процесс передачи энергии электронного луча генерируемой волне. Для этого пред­ положим, что в лампе возникла волна требуемой частоты и дви­ жется от коллектора к выходу генератора.

По волноводным зигзагам (между встречными штырями) вол­ на распространяется со скоростью света. Вдоль оси лампы ско­ рость движения волны значительно меньше. В процессе движения волны по волноводу без узких стенок ее электрическое поле ча­ стично расположено в околоштыревом пространстве. Именно здесь (с двух сторон от штырей) необходимо иметь электронные лучи с неравномерной плотностью электронов. Тогда они окажутся на пути замедленного движения электрического поля генерируемой волны.

Двойной электронный луч в ЛОВ создается электронной пуш­ кой с двумя отверстиями в анодах (рис. 1.102).