Увеличение мощности выходного сигнала лампы бегущей волны на основной частоте путем подавления его второй гармоники Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.385.632

УВЕЛИЧЕНИЕ МОЩНОСТИ ВЫХОДНОГО СИГНАЛА ЛАМПЫ БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ НА ОСНОВНОЙ ЧАСТОТЕ ПУТЕМ ПОДАВЛЕНИЯ ЕГО ВТОРОЙ ГАРМОНИКИ

© 2013 г. 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 н/Д, 344000, e-mail: [email protected].

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

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

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

Лукас Вадим Анатольевич - начальник отдела, ОАО «ВНИИ "Градиент"», пр. Соколова, 96, г. Ростов н/Д, 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].

Изложены результаты экспериментальных исследований двухчастотного режима работы широкополосных усилителей на лампах бегущей волны (ЛБВ), применяемых в качестве выходных передающих систем. Особый интерес представляет работа усилителя на основной частоте сигнала и его второй гармоники. Приведена схема установки усилителя на ЛБВ с цепью обратной связи и показана возможность повышения выходной мощности на основной частоте за счет подавления второй гармоники сигнала.

Ключевые слова: двухчастотный режим, усиление сложного сигнала, цепь обратной связи, самовозбуждение, подавление гармоники, многочастотный сигнал, составляющие спектра сигнала, фазово-амплитудные соотношения.

Results of experimental investigations of double-frequency operating mode of wide-band amplifiers based on traveling-wave tubes (TWT) applied as output transmission systems are reviewed. Amplifier operation on signal fundamental frequency and its second harmonic is of special interest. Installation diagram of amplifier based on TWT with feedback circuit is given and possibility of output power increasing on fundamental frequency owing to signal second harmonic suppression is shown.

Keywords: double-frequency mode, compound signal amplification, feedback circuit, autoexcitation, harmonic suppression, multifrequency signal, signal spectral components, phase-amplitude ratios.

Возможность одновременного усиления нескольких сигналов различных частот с помощью широкополосных усилителей на лампах бегущей волны (ЛБВ) позволяет часто решать технические вопросы в различных областях техники. Теоретическому рассмотрению многочастотного режима работы ЛБВ посвящено значительное число работ в различных областях техники. Особый интерес представляет работа усилителя на ЛБВ в двухчастотном режиме и как частный случай - работа ЛБВ с основным сигналом и его второй гармоникой в диапазоне рабочих частот. Известно, что в широкополосных ЛБВ интенсивность второй гармоники на длинноволновом краю диапазона достаточно велика [1 - 3]. Можно существенно уменьшить мощность второй гармоники на выходе ЛБВ, используя дисперсную замедляющую систему или подавая на вход ЛБВ сигнал удвоенной частоты

определенной амплитуды и фазы. В первом случае с этой целью в конце лампы вводится участок замедляющей системы с уменьшенным шагом, приводящий к значительному рассинхронизму электронного потока с волной. Ранее было показано [4, 5], что это способствует увеличению коэффициента усиления ЛБВ в нелинейном режиме по сравнению с линейным и увеличению коэффициента полезного действия (КПД).

Таким образом, практически существуют два способа уменьшения уровня мощности второй гармоники и за счет этого увеличения мощности основного сигнала: конструктивный, реализующийся при разработке и серийном выпуске ЛБВ, и радиотехнический - за счет создания цепи обратной связи (ЦОС), соединяющей выход ЛБВ с ее входом. Этот метод обычно называют методом введения гармоники [6], поскольку он основан на изменении относительного уровня вто-

рои гармоники во входном сверхвысокочастотном (СВЧ) сигнале. Метод дает ощутимое улучшение только на низкочастотном краю полосы усиления ЛБВ, поскольку вторая гармоника для этих частот еще попадает в полосу усиления ЛБВ. На частотах же, превышающих среднюю частоту полосы пропускания, усиление второи гармоники сигнала становится незначительным, следовательно, данный метод повышения выходнои мощности ЛБВ оказывается малоэффективным. Следует отметить, что усилитель на ЛБВ с ЦОС по второй гармонике имеет ограничение по эффективности подавления - возможность самовозбуждения по цепи обратной связи. Кроме того, электрическая длина ЛБВ должна быть в 10 раз длиннее, чем длина цепи обратной связи.

В качестве вывода по данному вопросу можно указать, что подачей на вход ЛБВ с основным сигналом сигнала удвоенной частоты соответствующей амплитуды и фазы можно в пределе повысить в два раза выходную мощность ЛБВ на основной частоте и существенно (до величины -15 дБ) уменьшить амплитуду второй гармоники на выходе ЛБВ.

В работе [7] определены оптимальные условия пол-

Рвх.2

ного подавления второй гармоники: -=5,3 дБ,

Рвх1

Ар = 1,15^, где Рвх - уровни входных мощностей

сигналов соответствующих частот; Дф - фаза между этими сигналами.

Для получения требуемых амплитудных и фазовых соотношений между основным сигналом и второй гармоникой на входе усилителя на ЛБВ можно использовать простую схему с ЦОС. Она состоит из направленного ответвителя, а также элементов согласования и стыковки. Ответвитель установлен на выходе усилителя, и его плечо ослабления через последовательное соединение соединено с фильтром, аттенюатором, фазовращателем и сумматором, установленным на входе усилителя.

Необходимость постановки вопроса и рассмотрения возможности реализации данной технической задачи вызвано тем, что в передающих системах изделий, разрабатываемых и серийно выпускаемых, в качестве выходных усилителей мощности применяется идентичная по составу усилительная линейка. Линейка создана путем последовательного включения по сигналу широкополосных усилителей: прибор РМ818-1 (МКШУ.460871.007 ТУ) с номинальной выходной мощностью не более 1,8 Вт и комплексированное изделие - СВЧ-усилитель У52219М (АПНТ.434910.009 ТУ) (далее по тексту - усилитель У52219М) с выходной мощностью 250 - 600 Вт.

Экспериментальная оценка величин основного сигнала в диапазоне рабочих частот и его второй гармоники при их совместном усилении в выходном усилителе на ЛБВ проводилась на стенде экспериментальной установки, схема которой приведена на рисунке.

Функциональная схема экспериментальной установки

В выходном волноводном тракте усилителя У52219М установлен направленный ответвитель, плечо 4 которого нагружено на согласованную нагрузку (СН2), а плечо 3 соединено со входом частотно-перестраиваемого фильтра типа ФФЛК2-16, который имеет следующие основные параметры: диапазон перестройки частоты - сантиметровый; полоса рабочих частот - ДР=35 МГц; ток управления - 0,2 -1,0 А; потери < 4 дБ [8].

Регулирующий аттенюатор типа 9454Г: диапазон частот - сантиметровый; величина входной мощности > 4 дБ; градация регулировки - 11 положений.

Фазовращатель: пределы регулировки - 0 - 360°; число градации - 30 положений.

Сумматор на 2: диапазон частот - сантиметровый; входы 1 и 2, выход 3.

Нагрузка (СН1):диапазон частот - сантиметровый; рассчитана на мощность < 2 Вт.

Для измерений параметров сигналов установки используются в основном следующие типы стандартных измерительных приборов:

- измеритель мощности типа М3-47 для измерения величины мощности выходных СВЧ-сигналов;

- ваттметр типа М3 -51 для измерения величины мощности второй гармоники основного сигнала и входной мощности усилителя У52219М;

- анализатор спектра типа Agilent для контроля спектральных составляющих сигналов.

Результаты настройки экспериментальной установки и проведения оценки степени подавления второй гармоники и его влияния на сигнал основной частоты усиливаемого усилителем У52219М показывают, что достигнуты следующие результаты:

- уровень входной мощности сигнала основной частоты на входе усилителя У52219М составляет 226 мВт;

- уровень мощности второй гармоники - 174 мВт. Необходимо учесть, что суммарный уровень мощности на входе ЛБВ не превышает 400 мВт. В номинальном режиме работы усилителя на ЛБВ его выходная мощность составляет 246 Вт. При достижении указанных значений параметров установлено, что подавление мощности сигнала второй гармоники достигло такого уровня, который позволяет увеличить мощность усилителя на ЛБВ до 383 Вт при достижении значения фазы сигнала второй гармоники, равного ф=193°.

Приведенные в статье данные показывают, что существует реальная возможность увеличения выходной мощности и КПД усилителя на ЛБВ за счет подавления второй гармоники основного сигнала, величина которого обычно доходит до -5 дБ.

При разборке аппаратуры передающих систем с использованием выходных усилителей на ЛБВ есть возможность значительного увеличения выходной мощности передающих систем за счет подавления уровня мощности второй гармоники основного сигнала. При внедрении данного метода в разрабатываемую аппаратуру можно значительно повысить эффективность основных параметров разрабатываемой аппаратуры.

Поступила в редакцию_

Литература

1. Железовский Б.Е., Кальянов Э.В. Многочастотные режимы в приборах СВЧ. М., 1978.

2. Кац А.М., Ильина Е.М., Манькин И.А. Нелинейные явления в СВЧ-приборах О-типа с длительным взаимодействием. М., 1975.

3. Верзунова Л.В. Тематическая подборка информационных материалов. № 29. Саратов. ЦО НТ и ЭИ объединения.

4. Кац А.М., Рыкшин Б.В. Особенности взаимодействия в ЛБВ при скорости электронов, значительно превышающей скорость волны // Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ. 1971. Вып. 2. С. 64.

5. Арделян Н.Г., Милютин Д.Д., Штерн В.А. Некоторые результаты экспериментального исследования работы ЛБВ в режиме одновременного усиления двух гармонических сигналов различных частот // Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ. 1970. Вып. 3. С. 141 -144.

6. Мощные электровакуумные приборы СВЧ / под ред. Л. Клемпитта. М., 1974.

7. Ильина Е.М., Кац А.М., Милютин Д.Д., Нудельман Я.Е., Штерн В.А. Частный случай двухчастотного режима работы ЛБВ // Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ. 1971. Вып. 12. С. 3 - 12.

8. СВЧ ферритовые приборы. Ряды / Предприятие п/я А1216. 1983.

3 сентября 2012 г.