Файл: Капышев, В. И. Радиопередающие устройства сверхвысоких частот [учеб. пособие].pdf

I l l

группируется в виде "спиц" подобно тому, как это имело место в магнетроне (рис. 4 .1).

Энергия электромагнитной волны, распространяющаяся от входного устройства к выходному, нарастает в процесое взаимо­ действия с электронным потоком в выводится с помощью устрой­ ства связи из платинотрона на внешнюю нагрузку.

Рассмотрим некоторые количественные соотношения, характе­ ризующие взаимодействие электронного потока с высокочастотным полем.

Для эффективного взаимодействия в пдатинотроне, как и в других приборах СВЧ необходимо, чтобы окорость пространствен­

Это условие называют условием синхронизма, В платинотронах широко попользуется замедляющая система

ламедьного (иди. бугельного) тина со связками. В развернутом виде такая система цредставляет собой обыкновенную гребенку, штыри (ламели) которой соединены через один специальными проводниками-связками.

Принципиально, замедляющая система амплитрона является достаточно-широкополосной, а с точки зрения использования ее свойств амплитрон мог бы быть широкополосным устройством. Однако, как показывает эксперимент, полоса пропускания платинотрана невелика и обычно составляет около 10$. Дело в том, что полоса усиливаемых платинотроном частот ограничена элект­ ронными свойствами прибора, а именно замкнутым характером электронного потока.

Остановимся на этом ограничении, для чего обратимся к рис.4 ,2 , где схематически изображен платинотрон. Рассмотрим, возможна ли работа платинотрона, имеющего нечетное число резонаторов, на колебаниях 1Гвида. Для противофазного вида колебаний сдвиг по фазе между соседними секциями замедляющей системы составляет 180°.

На рис.4.2 для одного из моментов времени проставлены знаки потенциалов отдельных сегментов для переменной состав­ ляющей электрического поля. Как видно из рисунка, в месте

ш

разрыва замедляющей системы (секция 9) соседние сегменты ямешг одинаковые зн ай .

Вы* од

Вход

Рис,4.2. Особенности взаимодействия сгруппированного электронного потока с высокочастотным полем шатинотрона

Сдвиг по. фазе между секциями I и 8, разделенными секцией 9, составляет не 360°, а 180,°. Спицы сгруппированного элект­ ронного. потока , двигающиеся синхронно с полем, последова­ тельно проходят секции 8-1, где отдают сваю энергию высоко - частотному полю. Последнее положение нарушается при прохожде­ нии опиц от секции I к секции 8.

Дело в том, что сдвиг по фазе между этими секциями равен половине периода, -а время, необходимое для прохождения спи­ цей расстояния между секциями I и 8 при синхронном движении, составляет целый период, так как спица должна пройти две секции.

Поэтому спицы будут, попадать в секцию 8, а следовательно, и в последующие секции, когда переменное поле оказывает не тормозящее, действие, а ускоряющее, тг»е, электронный поток будет поглощать энергию высокочастотного поля. Это отрица­ тельно сказывается на эффективности взаимодействия, хотя можно предположить, что в дальнейшем после прохождения

114

}

те допустимый фазовый сдвиг в замедляющей системе составляет:

ном случае электроны попадут в ускоряющее голе и режим усиле­ ния нарушится.

Из приведенных расоужденшй вытекает, что замедляющая система платинотрона является достаточно широкополосным элементом, однако полоса частот ограничивается замкнутым характером электронного потока. Данный вывод хорошо иллюстри­ руется на фазовой характеристике платинотрона, приведенной на рис ,4„3 •

Рис,4 .3 , Фазовая характеристика замедляющей системы платинотрона

Яз рис.4.3 следует, что голоса рабочих частот, ограничен** вая замкнутостью электронного потока, значительно меньше по­ лосы частот, пропускаемых замедляющей системой.

1 1 5

3. Характеристики амплитрона

Электрические и эксплуатационные свойства аыплитрона опре­ деляются следующими основными характеристиками: амплитудными, частотными, фазовыми и рабочими. Оценка этих характеристик обеспечивает выбор нормального эксплуатационного режима, что явдяетоя необходимым условием работы передатчика на амплитроне. Специфические особенности, которые в той или иной степени проявляются при эксплуатации амплитронов, вытекают из рассмот-- рения характеристик.

Амплитудная характеристика. Зависимость выходной мощности или; коэффициента усиления от величины входной мощноотн при постоянной частоте и постоянных питающих напряжениях принято называть амплитудной характеристикой. Ери выборе эксплуата­ ционного режима работы усилителя амплитудная характеристика приобретает практическое значение для оценки его устойчивой работы в аппаратуре, когда могут иметь место колебания уровня входной мощности. Амплитрон в отличие от других типов усилите­ лей СВЧ диапазона усиливает колебания только при подаче на его вход определенного уровня мощности.

Амплитрон по существу работает как автогенератор в режиме Принудительной синхронизации. При отсутствии входного сигнала или его малом уровне и включенном анодном напряжении на выходе амплитрона наблюдаются собственные колебания, т .е . он работает как генератор шумов. Эти собственные паразитные колебания имеют достаточно большой уровень по мощности. Если на вход амолитрояа подается сигнал с недостаточным уровнем мощности, то на его выходе наблюдаются колебания двух частот (частоты собствен­ ных колебаний и колебания, поданного на вход). По мере увели­ чения входной мощности уровень паразитных колебаний уменьшает­ ся и затем они полностью подавляются.

Типовая зависимость выходной мощности и коэффициента усиле­ ния от входной мощности представлена на рис.4.4.

1 1 6

Рис.4.4. Зависимость выходной мощности и коэффициента усиления от входной мощности

На графике обозначена область, работы амшштрона как усили­ теля и область, где режим усиления срывается и прибор генери­ рует паразитные шумы. Граничные значения выходной импульсной мощности от' входной можно определить из выражения

Р&ы.х = А Р&Х у

где А=145 - коэффициент, установленный опытным путем (справедлив при размерности мощности в кило­ ваттах). ф

Особенностью амплитрона является малое затухание (0,5 дб) сигнала, проходящего через него при выключенном анодном напряжении. Это обстоятельство позволяет измерять коэффициент усиления амплитрона одним измерителем мощности, включенным на выходе амплитрона. Коэффициент усиления по мощности

л- = Лш* K s J m

Из приведенных на рис.4.4 кривых видно, что при малых значениях входной мощности, кроме максимального усиления, наблюдается некэльгсой участок линейной зависимости Р^ях от Р#х . При дальнейшем увеличении входной мощности еы х о д н э я

мощность продолжает расти, но коэффициент усиления уменьшается.

В первом приближении уменьшение коэффициента усиления мож­ но объяснить тем, что с ростом амплитуды входного сигнала плотность объемного заряда продолжает оставаться постоянной в: для дальнейшего группирования требуется увеличение мощности источника питания PQ. Начиная с некоторого значения входной мощюоти, линейность амплитудной характеристики нарушается и наступает режим насыщения,

В тех случаях, когда желательно получить от амплитрона возможно большее усиление, необходимо работать в области относительно малой мощности возбуждения. В тех случаях, когда ставится задача получения максимальной мощности от амплитрона хотя бы за счет увеличения мощности возбуждения (когда ставит­ ся задача реализовать частично сложение мощностей выходного каскада в возбудителя), целесобб^зно работать в правой части характеристик. Такой режим имеет максимальный коэффициент полезного действия, который определяется следующим соотноше­ нием:

пРём*Р&х

L ~ Ро

Данный режим целесообразно использовать для оконечных мощных каскадов 'усиления, что ведет к повышению общего коэффи­ циента полезного действия усилительной цепочки.

Из графиков, приведенных на рис.4.,4 }таете следует, что при увеличении постоянной мощности Р0 , подводимой к амплитрону,1 уменьшается динамический диапазон усиливаемой входной мощности z , кроме того, возрастают выходная мощность и коэффициент уси­ ления амплитрона.

При малых уровнях мощности питания PQ пороговое значение Рвх мало и коэффициент усиления может достигать значительных величин (порядка 20-25дб) ; при больших уровнях входного сигна­ ла коэффициент усиления равен нескольким децибелам.

Следует отметить, что в отличие от других приборов СВЧ в амплитроне с ростом мощности на входе мощность на его выходе растет до определенного предела, после чего наступает срыв усиления. Наибольшее значение выходной мощнр'Ьти определяется следующей эмпирической формулой

Вследствие значительной нелинейности амплитудной характе­ ристики ашиштроны не могут быть использованы для усиления амплитудногодулированных колебаний. Применяются они в основ­ ном для усиления импульсных или непрерывных колебаний, моду­ лированных m частоте или фазе. '

Частотная характеристика. Зависимость выходных параметров амплитрона от изменения частоты в рабочей полосе при постоян­ ном уровне входной мощности, постоянных питающем капрняении

имагнитной индукции называется частотной характеристикой. Для амплитрона практический интерес представляет поведение

коэффициента усиления и уровня выходной мощности в рабочей по­ лосе.

В рабочей шлосе частот амплитрона один пли несколько пара­ метров его долины находиться в строго оговоренных пределах. На рис. 4.5 представлен график изменения выходной мощности и коэффициента усиления амплитрона в полосе частот,

Рио.4 .5 . График зависимости выходной мощности и коэффициента усиления амплитрона от частоты

Критерием того, что усилитель имеет требуемую полосу частот С±5%), являютс;, допустимые неравномерности коэффициента усиле­ ния и мощности на Еыходе. О увеличением полосы частот пределы изменения выходной мощности, коэффициента полезного действия.