Некоторые результаты исследования многочастотных режимов работы в передающем тракте на лампе бегущей волны Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ФИЗИКА

УДК 621.385.6

НЕКОТОРЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ МНОГОЧАСТОТНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ В ПЕРЕДАЮЩЕМ ТРАКТЕ НА ЛАМПЕ БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ

© 2013г. А.В. Абрамов, А.И. Беспалов, Х.Л. Гайбарян, Г.Б. Зябрев, В.А. Лукас

Абрамов Андрей Викторович - инженер второй категории, ОАО «ВНИИ «Градиент»», пр. Соколова, 96, г. Ростов-на-Дону, 344000, e-mail: [email protected].

Беспалов Александр Иванович - ведущий инженер, ОАО «ВНИИ «Градиент»», пр. Соколова, 96, г. Ростов-на-Дону, 344000, e-mail: [email protected].

Гайбарян Хугас Лусегенович - старший научный сотрудник, ОАО «ВНИИ «Градиент»», пр. Соколова, 96, г. Ростов-на-Дону, 344000, e-mail: [email protected].

Зябрев Геннадий Брониславович - начальник сектора, ОАО «ВНИИ «Градиент»», пр. Соколова, 96, г. Ростов-на-Дону, 344000, e-mail: [email protected].

Лукас Вадим Анатольевич - начальник отдела, ОАО «ВНИИ «Градиент»», пр. Соколова, 96, г. Ростов-на-Дону, 344000, e-mail: [email protected].

Abramov Andrey Viktorovich - Engineer of the Second Category, JSC «VNII «Gradient», Sokolov Ave, 96, Rostov-on-Don, 344000, e-mail: [email protected].

Bespalov Alexander Ivanovich - Leading Engineer, JSC «VNII «Gradient»», Sokolov Ave, 96, Rostov-on-Don, 344000, e-mail: [email protected].

Gaybaryan Khugas Lusegenovich -Senior Researcher, JSC «VNII «Gradient»», Sokolov Ave, 96, Rostov-on-Don, 344000, e-mail: [email protected].

Zyabrev Gennadiy Bronislavovich - Head of Section, JSC «VNII «Gradient»», Sokolov Ave, 96, Rostov-on-Don, 344000, e-mail: [email protected].

Lukas Vadim Anatol'evich - Head of Department, JSC «VNII «Gradient»», Sokolov Ave, 96, Rostov-on-Don, 344000, e-mail: [email protected].

Одновременное усиление в лампе бегущей волны (ЛБВ) нескольких сигналов сопровождается возникновением целой системы физических явлений, в результате чего сигналы на выходе усилителя на каждой из частот различны. Прохождение через ЛБВ сложного входного сигнала сопровождается взаимной амплитудной модуляцией (АМ) и фазовой модуляцией (ФМ) каждой из составляющих входного сигнала к нелинейным его искажениям. Данная статья представляет частный случай решения данной проблемы взаимодействия сигналов в передающем тракте средств радиоподавления (РПД) на ЛБВ.

Ключевые слова: нелинейный эффект, гармоники и комбинационные составляющие, прохождение сигнала, взаимодействие усиливаемых сигналов, распределение сигналов по частоте, режимы работы усилителя, амплитудно-фазовая модуляция, гармонические и шумовые характеристики, многочастотные режимы усилителя.

Simultaneous amplification of several signals in traveling-wave tube (TWT) is followed by entire physical phenomenon system as a result of which signals are various for each of frequencies on amplifier output. Transmission of compound input signal through TWT is followed by mutual amplitude modulation (AM) and phase modulation (PM) of each of input signal components to nonlinear signal distortions. This article represents the special case of solution of this signal interaction problem in transmission path of electronic countermeasure means based on TWT.

Keywords: nonlinear effect, harmonics and intermodulation components, signal transmission, amplified signal interaction, frequency distribution of signals, amplifier operating modes, amplitude-phase modulation, harmonical and noise characteristics, amplifier multifrequency modes.

Необходимость одновременного усиления нескольких сигналов, отличающихся по частоте и уровню мощности, часто возникает в разрабатываемой аппаратуре многоканальной связи и радиоподавления (РПД). Наиболее приемлемым типом электровакуумных приборов сверхвысокочастотных (ЭВП СВЧ) для такой аппаратуры является лампа бегущей волны (ЛБВ). Но широкополосным усилителям типа ЛБВ при их работе в режиме усиления нескольких сигналов свойственно проявление нелинейных эффектов, обусловленных нелинейностью их амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) и фазочастотных характеристик (ФЧХ). Это явление находит наибольшее проявление в мощных выходных каскадах передатчиков, используемых в режиме отдачи максимальной мощности. При совместном усилении нескольких

сигналов в ЛБВ на ее выходе, кроме сигналов основных частот, возникают комбинационные составляющие, число и уровни которых определяются как параметрами исходных сигналов, так и выходными характеристиками ЛБВ. Возникновение комбинационных составляющих приводит к нарушению первоначальных соотношений исходных сигналов и появлению на выходе передатчика сигналов, ухудшающих электромагнитные системы радиоэлектронных систем (ЭМС РЭС).

При работе в многочастотном режиме ЛБВ каждая составляющая спектра сигнала имеет свою амплитуду и фазу и обладает некоторой частью общей мощности выходного сигнала.

Таким образом, через ЛБВ одновременно проходит большое число сигналов соответствующих частот,

причем каждая из них будет действовать на электронный пучок, обусловливая в нем свою долю модуляции электронов по скорости и их последующей группировке. В результате совместного воздействия на пучок закон модуляции скорости его электронов и форма сгустков окажутся весьма сложными. Высокочастотный сигнал не исказится лампой в том случае, если амплитуды составляющих частот, несущих на себе основную часть мощности сигнала, будут усилены лампой одинаково, а соотношение фаз между ними на выходе лампы останется тем же, каким оно было на входе. Из этого следует, что для усиления сложного сигнала без искажений ЛБВ должна обладать постоянным коэффициентом на всех частотах спектра сигнала, постоянным коэффициентом усиления во всем интервале амплитуд составляющих спектра сигнала, и фаза каждой составляющей спектра должна изменяться при прохождении через ЛБВ на одну и ту же величину.

Для выполнения первого условия частотная характеристика лампы в пределах всего спектра сигнала должна быть линейной; для выполнения второго условия рабочий участок ее амплитудной характеристики также должен быть линейным; третье условие будет выполняться в том случае, если фазовая скорость для всех составляющих спектра в замедляющей системе лампы одинакова.

Следует подчеркнуть, что развитие схемной электроники настоятельно требует решения многих задач, как теоретических, так и экспериментального характера. Очевидно, что в этом плане обобщение результатов работ по многочастотным явлениям можно рассматривать как определенный шаг по пути развития СВЧ-приборов. Теоретическому исследованию многочастотного режима работы ЛБВ посвящено значительное число работ, которые основываются как на нелинейной теории [1-4], так и на общей теории нелинейных цепей [5, 6]. Установлено, что нелинейные явления находят наибольшее значение в мощных выходных каскадах передатчиков, поскольку предварительные каскады, как правило, работают в линейном режиме.

В работе [4] дается методика графоаналитического расчета одновременного усиления ЛБВ любого количества сигналов различных частот (для которых амплитудные характеристики ЛБВ известны и одинаковы), приводятся примеры расчета для двухсигнально-го режима и сравниваются полученные теоретические результаты с соответствующими экспериментальными данными.

В общем случае входной сигнал, состоящий из нескольких гармонических колебаний (амплитуды, частоты и фазы которых находятся в произвольных соотношениях), можно записать: Ц^п (ы^г + ф,)

Если принять

где ии 1р - частота и начальная фаза первого (опорного) сигнала; Ю и Ф - разность частот и фаз первого и второго сигналов; г - количество сигналов.

^=£=1 [(М + И,+ ф^Ф]. (1)

Таким образом, согласно равенству (1) суммарный входной сигнал записан как гармонический сигнал, модулированный по амплитуде и фазе. Выше было проанализировано усиление сигналов в ЛБВ, спектр комбинационных составляющих на выходе при сравнительно далеких частотных воздействиях.

Представляет особый интерес процесс прохождения через ЛБВ одновременно нескольких сигналов с достаточно близкими частотами, как описано в работе [8]. При рассмотрении усиления достаточно близких частот метод анализа, изложенный в [8], становится громоздким из-за необходимости решения большого числа уравнений. Ниже будет рассмотрен случай, когда на вход ЛБВ будут поступать пять сигналов с частотами, отличающимися на 1 %. Возможен и другой подход анализа, основанный на приближенном представлении сложного сигнала в виде квазигармонического с медленно изменяющимися амплитудой и фазой. Прохождению через несколько гармонических сигналов, естественно, сопутствуют взаимные амплитудные и фазовые модуляции. Было исследовано изменение уровня составляющих выходного сигнала при изменении входной мощности одного из подаваемых сигналов. Анализ результатов расчета показал, что при изменении входной мощности одного из сигналов на 1 дБ выходная мощность этого сигнала меняется на (1-1,3) дБ, что соответствует линейному режиму ЛБВ. Мощность остальных сигналов на выходе меняется на (0,1-0,3) дБ. Чем ближе к рассматриваемому расположен изменяющийся на входе сигнал, тем сильнее его влияние. При увеличении расстройки частот взаимная амплитудная модуляция уменьшается.

Для оценки взаимного влияния близко расположенных по частоте сигналов при их совместном усилении необходимо конкретизировать требования: количество и уровни сигналов, полосу частот их расположения, последовательность переключаемых полос и проч.

Выводы

Приведенные в статье данные могут быть использованы разработчиками аппаратуры РЭС с применением многочастотного режима работы выходных каскадов передатчиков. Приведены данные об особенностях схемного построения аппаратуры с использованием ЛБВ; рассмотрены условия передачи без значительных искажений многочастотных сигналов выходными каскадами передающих устройств.

Рассмотрены изменения уровня составляющих сигналов, близко расположенных по частоте, при изменении входной мощности одного из подаваемых на вход усилителя сигналов.

Литература

1. Железовский Б.Е., Кальянов Э.В. Многочастотные ре-

жимы в приборах СВЧ. М., 1978. 256 с.

2. Щербаков В.В. Нелинейные уравнения ЛБВ в случае уси-

ления сложных сигналов // Вопросы радиоэлектроники.

Серия 1. Электроника СВЧ. 1965. Вып. 3. С. 23-24.

3. Кац А.М., Ильина Е.М. Теоретические исследования мно-

гочастотного режима работы ЛБВ // Электронная техника. Серия 1. Электроника СВЧ. 1966. Вып. 7. С. 3-17.

4. Арделян Н.Г., Кац А.М. Расчет составляющих выходного

сигнала ЛБВ при многочастотном усилении // Электронная техника. Серия 1. Электроника СВЧ. 1971. Вып. 3. С. 45-54.

5. Влияние второй гармоники на выходные параметры

ЛБВ: тематическая подборка № 29 / сост. Л.В. Верзу-кова. М., 1977.

6. Бруевич А.Н., Евтянов С.И. Аппроксимация нелинейных

характеристик и спектра при гармоническом воздействии. М., 1965.

7. Эйдус Г.С., Гольберг Б.С., Максимов Ю.П. К вопросу о

прохождении гармонических сигналов через нелинейное устройство // Радиотехника и электроника. 1969. Т. 14, № 9. С. 1603-1608.

8. Кац А.М., Ильина Е.М., Манькин И.А. Нелинейные явле-

ния в СВЧ-приборах О-типах с длительным взаимодействием. М., 1975.

Поступила в редакцию_3 сентября 2012 г.