книги из ГПНТБ / Бородич, Сергей Владимирович. Радиорелейная связь учебник для техникумов связи

Мощность, отдаваемая электронным потоком полю резона­ тора при оптимальной фазировке (AN = 0), очевидно, равна

Величина 2 kAN представляет собой угол сдвига фаз между напряжением на сетках и первой гармоникой тока электрон­

Отсюда видна зависимость мощности от параметра группи­ рования х. Максимум мощности соответствует величине х = 2,4..

Часть мощности, отдаваемой электронным потоком, расхо­ дуется на покрытие потерь в резонаторе, а остальная часть от­ даётся в нагрузку клистрона. Если через Rxx обозначить вход­ ное сопротивление ненагруженного резонатора, то мощность потерь будет равна

в разных рабочих зонах и мощности потерь от величины напря­ жения на сетках Юи соответствующая выражению (3.88). Из выражения (3.87) очевидно, что с увеличением номера рабочей

1 5 $

отражательным клистроном, от напряжения на отражателе. Очевидно, что при увеличении отрицательного напряжения на отражателе время пролёта электронов уменьшается (умень­ шается Д N) и сгустки электронов попадают в пространство между сетками несколько раньше, чем напряжение на сетках достигнет максимума. Это значит, что ток, протекающий через резонатор, опережает по фазе напряжение, что может иметь место только в том случае (для параллельного колебательного контура), когда частота колебаний выше резонансной частоты контура. Таким образом, при увеличении отрицательного на­ пряжения на отражателе частота колебаний увеличивается и наоборот.

Это легко доказать, имея в виду, что частота колебаний определяется из условия равенства нулю суммы реактивных проводимостей электронного потока и резонатора. Электрон­ ная проводимость определяется как отношение первой гармо­ ники тока луча к напряжению между сетками резонатора. Из

160

Условие самовозбуждения клистрона очевидно cocfO H T в ра­ венстве нулю суммы активных проводимостей электронного по­ тока и. резонатора, т. е.

2Qh

Очевидно, что величина ДN прямо пропорциональна поло­ жительному приращению напряжения на отражателе

Д N = к Д Un

отр•

напряжения на отражателе) тем больше, чем больше номер ра­ бочей зоны (больше величина hfQ).

жений на рис. 3.94 приведены гра­ фики изменения частоты и мощно­ сти клистрона в зависимости от напряжения на отражателе для не­ скольких рабочих зон.

На рис. 3.95 изображена эта же зависимость, но для различ­ ных величин связи резонатора с нагрузкой, т. е. для различных величин QH. Как следует из (3.92), с увеличением QH (умень­ шение связи с нагрузкой) крутизна характеристики электрон­ ной подстройки уменьшается.

Выше уже указывалось, что отражательные клистроны час­ то используются в приёмно-передающей аппаратуре радиоре­ лейных линий в качестве генераторов с непосредственной час­ тотной модуляцией. Так как модуляционная характеристика нелинейна, то для получения необходимой степени линейности приходится прибегать к специальным мерам, которые рассма­ триваются в § 3.1!.

Частотная модуляция клистрона всегда сопровождается па­ разитной амплит'/дной модуляцией, которая должна подав­ ляться в ограничителе.

162

Впоследнее время начали широко применяться усилители колебаний свч на лампах с бегущей волной.

Влампе с бегущей волной (ЛБВ) взаимодействуют бегу­ щая электромагнитная волка и пучок электронов. Электроны в пучке движутся со скоростью, немного превышающей скорость бегущей волны. В результате взаимодействия электронов с электромагнитной волной оказывается, что в итоге электроны

чок.

Далее помещена спираль из металлической проволоки и кол: лектор. Электронный луч проходит по оси спирали и собирает­ ся коллектором, находящимся под положительным потенциа­ лом относительно катода. Во избежание попадания электронов на спираль применяется магнитная фокусировка луча, для чего на баллон лампы одевается фокусирующая катушка, питаемая постоянным током. В некоторых конструкциях ламп вместо фо­ кусирующей катушки применяется постоянный магнит.

Часть баллона лампы, в которой находится спираль, по­ мещается в медную трубку так, что эта трубка вместе со спи­ ралью образуют коаксиальную линию. Усиливаемые колебания подаются на вход этой линии через входной волновод, связан­ ный со специальным зондом на входе спирали.

На конце спирали имеется такой же зонд, связанный с вы­ ходным волноводом-

В некоторых конструкциях ЛБВ ввод и вывод энергии осу­ ществляется не по волноводам, а по коаксиальным линиям, внутренние проводники которых присоединены к началу и кон­ цу спирали.

Назначение спирали состоит в замедлении скорости рас­ пространения электромагнитной волны до величины, примерно

равной скорости электронов. Скорость электронов определяет­ ся величиной ускоряющего напряжения на коллекторе. При ве­ личине этого напряжения, равной 2 кв, скорость электронов приблизительно в 10 раз меньше скорости света. Так как элек­ тромагнитная волна движется со скоростью света, то скорость её распространения должна быть уменьшена приблизительно в 10 или даже более раз (в зависимости от величины ускоряюще­ го напряжения).

Такое замедление получается в том случае, если величина шага спирали во столько же раз (например в 10) меньше дли­ ны одного её витка. Действительно, .хотя электромагнитная вол­ на и движется по проволоке стирали со скоростью, равной ско­

поле спирали тормозит их движение и они теряют скорость, от­ давая свою энергию полю. Другая часть электронов попадает в спираль при неблагоприятной фазе волны, т. е. когда поле спирали ускоряет их движение и электроны отбирают энергию поля. Однако, если лампа правильно спроектирована и режим её работы также выбран правильно, то большая часть всех элек­ тронов на выходе лампы будет находиться при благоприятной фазе волны и они будут отдавать свою энергию палю.

Процесс правильной фазировки электронов изображён гра­ фически на рис. 3.97. На нём показано восемь последователь­ ных моментов положения волны, бегущей вдоль оси спирали. Электрон изображён в виде точки, а электрическое поле в виде синусоиды, ординаты которой пропорциональны мгновенным значениям электрического поля. Положительная полуволна

[64

синусоиды соответствует тормозящему полю, а отрицательная— ускоряющему. Рис. 3.97а соответствует случаю, когда электрон попадает на вход спирали в момент перехода .электрического поля из фазы торможения в фазу ускорения, а на рис. 3.976 соответствует противоположному случаю, т. е. переходу поля из фазы ускорения в фазу торможения. Сплошные наклонные линии на рисунке показывают положение электрона, опреде­ ляемое постоянной скоростью, обусловленной ускоряющим .на­ пряжением, при отсутствии поля спирали. Пунктирные линии показывают положение электрона с учётом воздействия поля спирали.

Из рисунка видно, что электроны, ускоряемые полем бегу­ щей волны, на части их траектории приобретают скорость, пре­ вышающую скорость волны и за счёт этого, по мере пе­ ремещения вдоль спирали, попадают в тормозящее по­ ле волны и отдают ему часть

процесс группирования, схематически изображённый на рис. 3.98. В начале спирали объёмная плотность зарядов в луче постоян­ на, а при перемещении электронов вдоль спирали образуются сгустки электронов. По мере удаления от начала спирали этот процесс становится интенсивнее. Сгустки электронов образуют­ ся в тех местах, где продольная составляющая электрического поля бегущей волны находится в тормозящей фазе. Образова­ ние сгустка электронов сопровождается переходом энергии от электронов к полю и увеличением амплитуды поля. Когда ско­ рость электронов в сгустке сравняется с фазовой скоростью волны, сгусток электронов займёт такое положение относитель­ но волны, где продольная составляющая её электрического по­ ля равна нулю. В этом положении обмен энергией между элек­ тронами и полем невозможен и, следовательно, при дальней­ шем распространении волны её интенсивность будет оставать­ ся неизменной.

Теоретическое исследование работы лампы с бегущей волной показывает, что в лампе существуют четыре типа волны. Волна первого типа распространяется от входа к Еыходу лампы, её фазовая скорость меньше скорости электронов, вследствие чего она отбирает у них энергию и амплитуда её непрерывно уве­ личивается по мере её продвижения вдоль спирали. Волны вто-

165

;рого и третьего типов распространяются в том же направлении, но волна второго типа имеет скорость, меньшую скорости элек­ тронов, а амплитуда её убывает, тогда как волна третьего типа имеет скорость, большую скорости электронов, а её амплитуда остаётся неизменной. Волна четвёртого типа имеет также по­ стоянную амплитуду, она распространяется в обратную сто­ рону от выхода лампы к входу со скоростью, большей скоро­ сти электронов.

На рис. 3.99 и 3.100 показаны типичные характеристики лам­ пы с бегущей волной — частотная и амплитудная. Лампа с бе­ гущей волной способна усиливать колебания в весьма широкой полосе частот. Ширина полосы лампы практически определяет­ ся полосой элементов, согласующих входной и выходной волно­ вод с лампой и нагрузкой. Кроме того, при повышении часто­ ты колебаний электрическое поле концентрируется вблизи вит­ ков спирали, вследствие чего на оси спирали интенсивность по­ ля уменьшается. Это приводит к уменьшению взаимодействия электронного луча с полем и уменьшению коэффициента уси­ ления лампы.

Из рис. 3.100 видно, что амплитудная характеристика (по мощности) лампы с бегущей волной имеет характерный перегиб. Увеличение мощности на входе лампы сверх определённой ве­ личины приводит к уменьшению мощности на выходе лампы.

Это объясняется тем, что при большой мощности колебаний на входе лампы изменение скорости электронов, вызванное высо­ кочастотным полем, оказывается столь значительным, что элек­ троны взаимодействуют с полем слишком малое время. За срав­ нительно небольшой промежуток времени сгустка электронов сдвигаются относительно бегущей волны, попадают в места с нулевым значением продольной составляющей электрического поля и перестают отдавать свою энергию полю. Чем больше

166

волны значительна, то может возникнуть самовозбуждение уси­ лителя. Для борьбы с этим явлением в спираль вводится зату­ хание с тем, чтобы затухание отражённой волны было больше усиления прямой волны.

Лампы с бегущей волной могут применяться также в каче-» стве генераторов колебаний свч. Для этого часть энергии с выхода ламцы подаётся на вход, а фаза и амплитуда колебаний подбираются таким образом, чтобы возникло самовозбуждение.

В лампе с бегущей волной может осуществляться модуля­ ция колебаний. Если между катодом лампы и ускоряющим электродом поместить сетку, то можно получить амплитудную модуляцию колебаний путём изменения напряжения на этой сетке.

Изменение ускоряющего напряжения вызывает изменение скорости электронов и фазовую модуляцию колебаний, сопро­ вождаемую амплитудной модуляцией. Применение предыска­ жений в цепи модулирующего напряжения позволяет преобра­ зовать фазовую модуляцию в частотную. Эти свойства лампы с бегущей волной позволяют использовать её также в качестве смесителя. В этом случае на вход лампы подаются колебания свч, а в цепь управляющей сетки или в цепь ускоряющего на­ пряжения подаются колебания промежуточной частоты. На вы­ ходе лампы включается фильтр, выделяющий колебания сум­ марной или разностной частоты.

§ 3.9. Стабилизация частоты генераторов свч

До сравнительно недавнего времени в приёмно-передающей аппаратуре радиорелейных линий стабилизация частоты гене­ раторов почти не применялась. Однако по мере развития тех­ ники радиорелейной связи появлялась необходимость стабили­ зировать рабочие частоты линии, в связи с чем в современной ап­ паратуре, как правило, применяется стабилизация частоты пе­ редатчиков и гетеродинов приёмников.

Стабилизация рабочих частот необходима как для сокраще­ ния полосы частот излучаемых колебаний и уменьшения помех от соседних линий или от других видов службы, так и для под­ держания в определённых нормах качественных показателей связи. Уход частоты относительно середины полосы пропуска­ ния станции вызывает обычно увеличение искажений, появле­ ние переходных разговоров в каналах, увеличение уровня шу­ ма, а на линиях, оборудованных несколькими стволами, может рызвать появление помех между соседними стволами.

Международный консультативный комитет по радио (МККР) рекомендует следующие допустимые величины отно­ сительной нестабильности рабочих частот радиорелейных линий;

J6 8