Файл: Капышев, В. И. Радиопередающие устройства сверхвысоких частот [учеб. пособие].pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 29.10.2024
Просмотров: 66
Скачиваний: 0
коэффициента усиления и других параметров расширяются. Достоинством амплитрона является то, что изменение пара»
метров в рабочей полосе частот невелико и для большинства тялов не превышает +10$, а у некоторых типов приборов измене ние выходной мощности и коэффициента усиления не превышает +5%. Если для таких усилителей ОВЧ диапазона, как ЛБВ и про летные клистроны, в полосе рабочих частот допускается неравно мерность коэффициента усиления и выходной мощности до $0$, то изменения этих параметров у амплитронов сравнительно малы, В результате этого можно обойтись без выравнивающих фильтров, которые иногда применяются в усилительных цепочках из ЛЕВ*
Кроме этого, следует отметить зависимость полосы про рекаемых частот от величины входной мощности. Если входной сигнал отсутствует, то амплитронк.работает в режиме самовозбуж дения на частоте, для которой условия самовозбуждения опти мальны. Таким образом, при отсутствии входного сигнала полоса пропускания близка к нулю. Если входной сигнал мал, его вяйяние на механизм взаимодействия в амплитроне невелико и усили ваемые частоты не могут сильно отличаться от jo . Наоборот, мощный входной сигнал значительным образом влияет на характер формирования спищ и на частотах j происходит своеобразное затягивание частоты мощным внешним сигналом. Это приводят к некоторому расширенно голоси усиления амплитрона;' ЗависяМботь
120
Кз рис.4.6 видно, что при малом входном сигнале, имеет место большой коэффициент усиления при узкой полосе усиливае мых частот. Экспериментально установлено, что произведение коэффициента усиления (в разах") на полосу рабочих частот амплитрона (в процентах) есть некоторая постоянная величина
К - ■Ш07. -- c o n s t.
Кроме того, полоса рабочих частот в значительной мере зависит от степени согласования амплитрона с элементами пере датчика. Для нормальной работы амплитрона необходимо произво дить достаточно хорошее согласование в широкой полосе частот замедляющей системы с СВЧ выводом и нагрузкой,
В отдельных случаях такое согласование осуществляется в по лосе, достигающей 20-30$. Аналогичное согласование осуществля ется и с источником питания. Связано это с тем, что сопротивле ние уоилителя в полосе частот изменяется, вследствие чего изме няется анодный ток. Последнее может привести к срыву режима усиления. Так как диапазон рабочих частот ограничивается онизу величиной тока генерации низковольтных видов колебаний, то сверху - тбком срыва усиления.
Фазовые характеристики амплитрона характеризуют зависимость сдвига фазы между входным и выходным сигналом от анодного тока, входной мощности, частоты и параметров нагрузки.
Зависимость сдвига фазы от анодного тока, входной мощности и магнитной индукции называется электронным смещением фазы (ЭСФ). Выражается ЭСФ в градусах на 1% изменения анодного тока.
Наибольший интерес представляет изменение фазы, обусловленное ■ изменением анодного тока.
Физический смысл изменения фазы колебания выходного сигнала заключается в том, что при изменении питающего напряжения со ответственно изменяется плотность пространственного заряда и величина анодного тока, в результате чего происходит некото рое изменение дисперсионной характеристики замедляющей систе мы.
Изменение дисперсионной характеристики приводит как бы к небольшому изменению фазовой длины прибора для заданной часто-
т
ты. Аналогичные явления могут происходить при изменении вход ной мощности и полного сопротивления усилителя в связи с изменением магнитной индукции (для непакетирозанных конструк ций), Зависимость ЭСФ от анодноготока для двух значений вход ной мощности изображена на рис, 4 .7'.
Из приведенных графиков видно, что с увеличением анодного тока ЭСФ возрастает. Минимальное значение ЭСФ имеет место при большой входной мощности..
0,5
W
о,ъ
Ц2 |
|
|
OJ- |
|
|
О |
го |
IS |
<5 |
Рио.4 ,7 . Характеристика электронного смещения фазы амплитрона
Для различных типов аншштронов величина ЭС8, как правило, не превышает 0,5-0,8° на Т%анодного тока. Относительно высо кая стабильность фазы амплтарона объясняется тем, что электри ческая "длина" амплитрона, т .е . число волн, укладывающихся вдоль замедляющей системы, значительно меньше, чем, например, у ЛЕВ и пролетного клистрона. Величина ЭСФ в значительной мере определяет требования к стабильности источников питания.
Более, существенное влияние на фазу усиливаемых колебаний оказывает рассогласование высокочастотной нагрузки амплитрона. Сдвиг фазы, обусловленный изменением параметров нагрузки, называется затягиванием фазы. Влияние рассогласования нагруз
ки на сдвиг фазы обусловливается тем. что часть мощности, отракенвой отвахрузки, без существенного эатуха$шя проходит
\
к входным элементам нормально работающего амплитрона. В зави симости от степени согласования этих элементов будет иметь место вторичное отражение. Ампяигрон в этом случае усиливает сигнал колебаний с результирующей фазой (р и с ,4.8 ) .
С
Рио. 4 .8 . Изменение фазы за счет высокочастотной нагрузки
Решая получающийся векторный треугольник АВС, получим соотношение для затягивания фазы
(4.4)
d - внутреннее затухание в амплитроне по мощности; Г/, G. - коэффициент отражу ия на входе и выходе
амплитрона;
-фазы коэффициента отражения на выходе амплитрона;
Ц- коэффициент усиления амплитрона по мощности.
Максимальное отклонение фазы от значения, соответствующего согласованной нагрузке, получим из соотношения (4 .;4 ), шдотавкв в него значение , при-, котором у> имеет экстремальное значение
(4.5)
123
На рис,9,9; показана зависимость сдвига фазы, рассчитанная по формуле ( 4 , 5 ; ) , при d в 1, tfyc * 10 и I'j ■» 0,3»
Рио,4.9.;, Вавиоимость затягивания фазы от |
||||
коэффициента отражения нагрузки |
||||
Для уменьшения величины затягивания |
фазы между нагрузкой |
|||
ж аиииТроном необходимо |
включить ферритовый вентиль, имею |
|||
щий прямое затухание |
di |
я обратное dt |
« В этом случае, пола |
|
гая , что сдвиг фазы невелик, получим выражение |
для затягива |
|||
ния фазы |
|
|
|
|
|
|
- т ^ г г ' . |
<4- 6 ) ' |
|
|
|
Ш 7 7 ' I |
|
|
Величина развязки, которая необходима для получения задан |
||||
ной стабильности фазы выходного сигнала |
передатчика С £ сfrp ) , |
|||
может быть определена из |
формулы i(4 .6 )i |
с учетом неравенства |
||
di oCi ot |
» L |
|
|
|
КГ,*!? |
|
|
||
и имеет вид |
|
|
|
|
dt d i ^ |
2КГ*Гг* |
|
|
|
|
Sfjrp d |
|
|
|
Для оценки свойств амплитрона практический интерес имеет его фазочастотная характеристика (ФЧХ), представляю щая собой зависимость фазы колебаний выходного сигнала от-
изменения частоты в пределах рабочей полосы частот амплитро на при неизменном режиме работы. Характер изменения ФЧХ имеет особенно важное значение при использовании амплитрона в им пульсном или непрерывном режиме усиления сигналов, модулиро ванных по частоте или фазе. Амплитрон имеет линейную ФЧХ, благодаря чему значительно упрощаются модулирующие и демоду лирующие устройства передатчика и приемника. Зависимость фазы выходных колебаний от частоты определяют экспериментально.
На рио.4.10 приведена зависимость фазы колебаний от частоты, построенная по данным измерений в полосе частот- +50 Мгц.
Рис.4 .ю . Фазовая характеристика амплитрона
Максимальное отклонение ФЧХ от прямой линии не г ревышает 4°, причем изменение фазы в указанной полосе частот объясняется в основном затягиванием фазы нагрузкой,
Для амплитрона ФЧХ можно рассчитать, не прибегая к сложным измерениям. Обычно по дисперсионной характеристике замедляю
щей системы, |
полученной расчетным путем, |
оценивается |
|
ФЧХ |
в полосе |
рабочих частот. |
|
|
Совокупность данных по ЭСФ позволяет правильно выбрать |
||
режим и установить допустимые нестабильности |
источников пита |
||
ния |
и степень согласования входных и выходных |
элементов |
|
1 2 5
амплитрона, которые не вызовут существенного чеканения переда ваемой информации прн частотной или фазовой модуляции,
Вольт-амперная и рабочая характеристики» Вольт-змперная характеристика амплатропа есть зависимость анодного напряже ния U& от анодного тока Запри постоянном значении индукции магнитного поля В ,
.Для амплитронов такая зависимость в принципе отличается от зодьт-аыперной .характеристики других типов усилителей СВЧ ‘ диапазона. Это отличие заключается в том, что только при опре деленной величине анодного тока амплитрсн устойчиво работает как усилитель. Рабочая зона значений анодного тока ограничива ется током срыва усиления (верхняя граница) и величиной тока, при котором, происходит самовозбуждение прибора на низковольт ных видах колебаний (нижняя граница).
Явление срыва режима усиления сверху и снизу особенно выяв ляется при усилении импульсных сигналов. Срыв режима усиления "снизу” проявляется в размытости фронта и спада импульса.
Срыв режима усиления "сверху” проявляется в размытости вер шины импульса- В связи с этим вольт-амперная характеристика представляет интерес с точки зрения выбора режима допустимых нестабильностей источника анодного напряжения, а также опреде ления требований к формированию импульса напряжения в модуля торе передатчика. .
Рабочие характеристики аыплитрона аналогично многорезонатор ному магнетрону представляют собой семейство вольт-амперных характеристик, построенных для постоянных значений магнитной индукции, выходной мощности и коэффициента полезного действия при постоянной входной мощности, а в импульсных амплитронах - длительности импульса.
•На рис.4Л 1 приведены типичные рабочие характеристики амшштрона.
1
1 2 6
Рис,4Л 1. Типичные -рабочие характеристики амплитрона
На ри-с. 4 .I I представлены три: семейства кривых: линии постоянного магнитного поля, постоянной выходной мощности (усиления) и постоянного коэффициента полезного действия, причем, поскольку входная мощность амплитрона представляет значительную долю выходного сигнала, коэффициент полезного действия амплитрона вычисляется как отношение разности СВЧ выходной и входной мощностей к мощности, подводимой от мо дулятора или источника постоянного напряжения (при непре рывной работе амплитрона).
Как видно из рис.4 . I I , общий характер зависимости выход ной мощности и коэффициента полезного действия качественно совпадает с аналогичными зависимостями для магнетрона, что является следствием общих закономерностей процесса взаимо действия сгруппированного электронного потока с высокочас тотным полем в приборах магнетронного типа.
4. Особенности модуляции амплитрона
Аыпдитрон монет работать в режиме усиления модулированных колебаний и в режиме импульсной модуляции.
Ввиду специфических особенностей взаимодействия высокочаототного поля и. электронного штока в амплитроне, которые были рассмотрены выше, его использование для усиления аышштудномодулированных колебаний (особенно при. большом индексе моду ляции) затруднено.
Однако амплитрон является почти идеальным усилителем (по сравнению с ЛЕВ, пролетным клистроном) частотномодулированных колебаний. Достаточно высокая линейность и постоянство фазо частотной характеристики, высокая стабильность фазы,а также работа амплитрона в режиме насыщения обеспечивают малые иска жения усиливаемого^ сигнала.
Недостатком амплитрона в этом случае, кроме низкого коэф фициента усиления, является необходимость еще большего умень шения коэффициента усиления при высоких требованиях к шумам на его выходе. На рис. 4.12 приведена зависимость эффективного значения шумов в полосе видеочастот от-12 кгц до 0,5 мгц от уровня входной мощности.
Рис.4.12. Зависимость шумов амплитрона от входной мощности
128
Как видно из рисунка, уровень шумов резко увеличивается при уменьшении входной мощности. Таким образом, отпредыдуще го каскада требуется не только повышенное значение уровня мощности, но и его стабильность во времени.
Широкое применение ампдитроны находят для усиления им пульсных сигналов. В этом случае обязательным является приме нение дополнительной импульсной модуляции по аноду амплитрона. На вход амплитрона должны подаваться сформированные СВЧ импульоы. Если подавать на вход амплитрона непрерывный сигнал СВЧ и формировать выходные импульоы путем подачи импульсного
напряжения на анод, то в паузах между импульсами на выход
будет проходить |
энергия СВЧ с очень малым затуханием |
(О ,5 -1,О дб), а |
поскольку коэффициент усиления амплитрона неве |
лик, то. глубина импульсной модуляции составит всего лишь
30-Й5Я.
Для устойчивой работы амплитрона длительность импульса входного сигнала всегда выбираетоя несколько больше, длитель ности импульса модулирующего напряжения амплитрона, чтобы анодное напряжение всегда включалось при наличии входного оигнала. Разность в длительностях импульсов должна быть тако ва, чтобы при временных нестабильностях о учетом старения выполнялось указанное выше условие.
Модулирующий импульс амплитрона дойжен иметь достаточна большую крутизну фронта, чтобы избежать возникновения побочншс (низковольтных) видов . колебаний. Кроме того, вершина импульса не должна иметь больших выбросов и спада напряжения, так как при их наличии возможен срыв режима усиления. Данное явление иллюстрируется на рис. 4.13.