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: 62
Скачиваний: 0
29
У'»вкс - Щ т ) |
(I.IS ) |
где Г - коэффициент отражения линии парадачи |
при включай- • |
ной ферритовом зантила. |
|
Очевидно, что при согласованной со стороны входа и выхо да ферритовой вентиле имеем
|
|
|
|
|
(1.Г7) |
гда |
- |
затухание ферритового |
вентиля. |
||
|
Подставляя |
в формулу |
(1,16) |
соотношение (1*17) и учиты |
|
вая, |
что |
Г у ^ |
гг I , |
получим |
|
|
|
|
|
- Щ |
. |
|
|
|
|
а * |
|
При заданной нестабильности фазы &у> необходимая вели чина развязки может быть определена из соотношения
(1.18)
Максимальное отклонение выходной мощности от значения, соответствующего согласованной нагруэке, имеет вид
Л Рмохс - В (i - $ f j r )
1-1-Г-2.1
При включении ферритового вентиля между выходным резона тором клистрона и нагрузкой при условии, что
1*/
P7 d V 22 !■ ы -'-2Ги ^ Л ,
получим
. г и гг |
„ч р&ых гЬыхГ , |
. ' < |
2j>QBHdC |
где Z$yx~ conponnu ние выходного резонатора»
!
зп
Для заданной нестабильности выходной мощности величина развязки может о'нть определена из соотношения
ZBu»_r^
|
|
Л ъ гро&нб'р |
’ |
(1*19) |
|
|
|
||
где |
8 ? -- |
а Е . |
|
|
|
Р&ы* |
|
|
|
|
1’1з выражений (1,18) и (1Д 9) |
|
следует» что для обеспече |
|
ния заданной стабильности фазы и амплитуды необходима боль шая величина развязки.
3. Модуляция клистронных усилителей
Практически в клиотронных передатчиках можно осуществлять все виды модуляции сигнала.
Тот или иной вид модуляции зависит от назначения передат чика. Б многоканальных передатчиках для тропосферной связи используются как частотная, так и однополосная модуляции.
В вещательных телевизионных передатчиках на клистронах используется амплитудная и частотная модуляции, импульсная модуляция - в радиолокационных передатчиках. При радиолокации длинными импульсами высокочастотный сигнал внутри импульса дополнительно модулируется по частоте или фазе. Клистроны в режиме импульсной работы используются также в линейных уско рителях элемента 1 'X частиц. Рассмотрим особенности осуществле ния различных видов модуляции на клистронах. В зависимости от вида модуляции предъявляются различные требования к амплитуд ной характеристике, а также амплитудно-частотной и фазо-час тотной характеристикам.
Усиление модулированных колебаний. Согласно формуле (1.3) амплитуда первой гармоники наведенного тока в двухре-
эонаторноы клистрона овяаана о параметром группировки и,сле довательно! о амплитудой напряжения возбуждения зависимостью, являющейся Функцией Бесселя первого порядка.
Примерно ханой не зависимостью, как эхо было показано выше, связаны выходная ыощноохь и мощность возбуждения. Неко торое различие будет заключаться в том, что выходная мощность не будет строго пропорциональна квадрату амплитуды наводонного тока из-за нелинейности процессов в выходном резонатора в режиме максимальной модности. В ыяогорвзонаторноы клистроне отличие от зависимости в виде функции Беоселя вызвано более сложным характером группирования электронного потока. Качест венно амплитудные характеристики клистронов с различным чис лом резонаторов совпадают. Вначале такие характеристики имеют участок о высокой степенью линейности, который затем перехо дит в учаоток насыщения (рис,1 .3 ).
Если клистрон предназначен для усиления ЧМ сигнала, то выгодно работать с возбуждением, соответствующим максимальной выходной мощности. При зтомк.од,клистрона получается макси мальным. Кроме того, если в сигнале имеется паразитная ампли тудная модуляция, то из-за наличия учаотка насыщения в ампли
тудной |
характеристике |
она будет значительно ослаблена в сигна |
ле на |
выходе. |
4 |
При частотной модуляции требуется достаточно широкая поло са усиливаемых частот, Как правило, при этом для клиотрона следует иметь широкополосную настройку. Необходимость получе ния для клиотрона в этом случае различных характеристик вида характеристик Чебышева, Баттерворса или линейной фазовой ха рактеристики определяется как шириной полосы, так и требова ниями к нелинейным искажениям и уровню нелинейных шумов.
При использовании в многоканальных тропосферных линиях связи однополосной модуляпии значительно снижаются требования в ширине полосы частот, так как она в зтоы случае равна поло се модулирующего сигнала. Клистроны в таких передатчиках могут работать как усилители СБЧ при узкополосной настройке, что дает возможность получить большое значение максимального ллд.
Однако энергетические соотношения при однополосной моду ляции получаются менее выгодными, чем при частотной модуляции.
При усилении однополосного сигнала подводимая мощность к клистрону в процессе модуляции остается неизменной, так как отсутствует управление па постоянной составляющей тока луча.
При этом средняя мощность сигнала примерно на 7 дб нине, чем пиковая. Поэтому, если максимальный кпд,клистрона равен 50$, то средний клд. при модуляции будет около 10$. Следова тельно, почти вся подводимая мощность будет рассеиваться на клистроне. Энергетически режим работы клистрона эквивалентен режиму работы лампового генератора с углом отсечки анодного рока, равным 180°, т .е . в классе А (рис.1.16),
колебаний в пролетном клистрона
При усилении сигналов с однополосной модуляцией значитель но йозрастает требование к линейности амплитудной характеристи К!®, так как нелинейные искажения должны быть в пределах норм, определяемых стандартами МККР. Поэтому пиковая мощность сигна ла на должна превышать примерно 80$ максимальной мощности клиотрона (рис.1.16^. Для снижения нелинейных искажений в од нополосных передатчиках иногда используют дифференциальную обратную связь. .
Амплитудная модуляция. Усилению аыплитудномодулированнкх колебаний в клистронпом усилителе свойственны те же' недостат ки, что а при усилении однополосного-сигнала: низкий к .п .д .
и возрастание искажений при больших значениях коэффициента модуляцаа.
33
Средний кл.д.может быть увеличен, воли у клистрона имеется — модулирующий электрод (сетка или анод). Меняя пропорционально
модулирующему сигналу ток луча, удается получить подводимую мощность примерно в два раза меньшую, чем при уоилении амплитудномодулироланных колебаний.
Недостатком осуществления амплитудной модуляции при помо щи управляющего электрода в клистроне является то, что при этом модуляционные характеристики получаются нелинейными.
Приамплитудной модуляции по управляющему электроду уско
ряющее напряжение остается неизменным. Ток луча Зо |
|
опреде |
|||||
ляется напряжением на управляющем электроде |
|
|
|
||||
|
J*0 г р Uу ^ |
' |
|
|
|
|
|
Модуляционной характеристикой для модуляции по управляю |
|||||||
щему электроду является |
зависимость |
|
|
|
|
||
|
и&ык - j ( Uy). |
|
|
|
|
|
|
Так как |
напряжение |
и&ы* |
, наводимое током луча |
в сетках |
|||
выходного резонатора, |
пропорционально |
току |
луча |
J o ,то |
|||
зависимость |
L/ёыг -J (Uy) отличается |
от |
линейной, |
что вид |
|||
но из приведенной выше формулы. |
|
|
|
|
|||
В клистроне амплитудная модуляция может быть осуществле на также о помощью ускоряющего напряжения. При подаче модули рующего напряжения на ускоряющий электоод клиотрона изменяет ся ускоряющее напряжение Uo (1 ,4 ) .
Недостатком данного метода является то, что в этом случав амплитудная модуляция сопровождается нежелательной фазовой модуляции , так как о изменением ускоряющего напряжения изме няется так^же угол пролета в пространстве дрейфа (1.5) .
Величина нежелательной фазовой модуляции может достигать значительной величины. Следует отметить, что при амплитудной модуляции с помощью управляющего электрода (изменением тока луча клистрона) величина нежелательной фазовой модуляции мень ше. Кроме того, при -модуляции изменением ускоряющего напряже
ния для получения большой глубины модуляции ( |
tn * |
I) |
тробует- |
оя большая мощность и высокое напряжение (при |
т- |
=1 |
выходное |
напряжение модулятора должно быть равно ускоряющему напряжению клистрона) от модулятора. Ввиду этих недостатков амплитудная модуляция ускоряющего напряжения не находит широкого практича-
■*
34
£кого применения.
" Импульсная модуляция. В усилительном клистроне возможны ■ следующие способы импульсной модуляции:
1)изменением уровня входного сигнала;
2)изменением ускоряющего напряжения;
3)управлением тока луча.
Первый из названных способов предполагает возбуждение клистрона радиоимпульсом, формирование которого завершается в предыдущих каскадах передатчика. Основным недостатком тако го способа является низкий к .п .д ., зависящий от скважности импульсов. ч
Устранение такого недостатка возможно при переходе от нелрерыьного питания я синхронному питанию ускоряющего электро да импульсами йеоколько большей длительности. В этом случае параметры выходного имлульоа будут определяться только пара метрами импульса возбуждения и входного резонатора.
Таким образом, при импульсной модуляции мощнооти возбужде ния на ускоряющий электрод клистрона подается широкий импульс, к форме и длительности переднего фронта и спада которого не предъявляется оообых требований.
Модуляция мощнооти возбуждения клистрона производится уз ким импульсом, который вписывается в более широкий импульо на ускоряющем электроде. Обычно амплитуда входного импульоа на 40-60 дб ниже уровня выходного сигнала, и поэтому сформировать импульо необходимой формы не представляет особой трудности. В частности, возможно осуществить модуляцию СВЧ сигнала на вхо да пролетного клистрона полупроводниковыми переключательными
p -t-n . диодами СВЧ, которые позволяют коммутировать импульсную мощность до 10 квт. Время нарастания фронта составляет
5-BU нсек. Переключательные диоды ОВЧ обеспечивают прямое за тухание 0,3 -2,0 дб и обратное затухание 30-80 дб. Требуемая мощность управления невелика.
При импульсной модуляции мощности возбуждения возможно формирование входным сигналом двух и более выходных импульсов ОВЧ одинаковой или различной длительности с переменный интер валом между ними при достаточно широком модулирующем импульсе .
I
Ло . t
на ускоряющем электроде (или катода). * Данный метод импульсной модуляции позволяет корректиро
вать неравномерности на вершине импульса путем ограничения выходного сигнала при больших амплитудах входного сигнала, не превышающих величину оптимальной входной мощности. При значительной величине импульса возбуждения может наступить "перекомпенсация" за счет перегруппировки электронного пото ка (рис,1.17).
I Pftwx
----- -~ t
слабое возбуждение
------ —t оптимальное возбуждение
перевозбужден^
Phg. 1.17. Изменение формы импульса ддя различных
. уровней’ входного сигнала
Из рис. 1 .17 также следует, что имеет место некоторое сокращение длительности фронта и спада"при переходе в нелиней ный режим. Кроме того, в этом режиме, как это следует из при веденного выше анализа амплитудно-фазовых характеристик,наблю даются малые изменения фазы при наличии неравномерности верши ны импульса возбуждения. По абсолютной величине уходы фазы в завиоимости от изменения мощности возбуждения (параметра группировки) имеют малые значения.
При импульсной модуляции ускоряющего напряжения входной сигнал СВЧ может иметь непрерывный или импульсный характер.
36
В последнем случав входной импульо более широкий, нежели модулирующий’ импульс ускоряющего напряжения.
При импульсной модуляции уоилителыш'х клистронов оредней мощности на вход клистрона подаются непрерывные колебания усиливаемого напряжения, а на ускоряющий электрод подается ускоряющее напряжение Uo в виде модулирующих импульсов.
Если ускоряющее напряжение невелико, то модуляция клистро на монет осуществляться подачей модулирующих импульсов напря жения на управляющий элетрод.
Импульсная модуляция мощных многорезонаторных клистронов, как правило, осуществляется подачей импульсного ускоряющего напряжения с помощью трансформаторов (рис,5.27), так как ве личина ускоряющего напряжения для современных йлиотронов,имею щих мощность в импульсе до десятка мегаватт, может достигать сотен киловольт.
w
импульс НЬШ
т р а к С ф о р м а т о р
РисД .18. Схема импульсной модуляции , по ускоряющему напряжению
При импульоной модуляции ускоряющего напряжения, согласно соотношению (х .5 ), на фронте и спаде импульса наблюдаются зна чительные вариации фазы выходного сигнала
ш |
_ 6 о |
, |
сдое |
|
i j f t ) |
‘ |
Ш м р з |
|
|
|
|
|||
где U (t) - изменение модулирующего импульса |
во времени. |
|||
Величина вариации фазы на передаем фрон те и спаде |
модулирующего |
|||
импульса может достигать носкошьких десятков радиан.
При наличия в модулирующем импульсе длительностью £-
»
|
37 |
одада вершины 1 6-- W/Uo |
входной и выходной сигналы |
клистрона будут йеногэрентны ввиду появления сдвига фазы. Действительно, если вершина импульса длительностью ■£*
имеет спад, который может быть записан в виде
Щ t) - U o (t - S ^ ) }
где <Гдд I , то |
для вариации фазы на вершине очевидным яв |
ляется следующее |
соотношение: |
ifft ) : &>--=- .
утгтт/с^
График изменения фазы на вершине импульса представлен на рио.1 . 1 9 .
■Рио.1.19, Изменение фазы на вершино импульса при различных значениях величины
спада напряжения
Из приведенных графиков следует, что для обеспечения малых изменений фазы на вершине импульса необходимо иметь малый спад напряжения, что в свою очередь требует увеличения накопительной емкости модулятора. При работе клистрона длин ными импульсами требования к величине спада становятся более жеоткими.
Таким образом, требования к постоянству напряжения на вершине импульса S определяются допустимым изменением фазы сигнала во время импульса и йогут быть рассчитаны следующим образом: ‘
*