ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ КЛИСТРОДЫ: ДОСТИЖЕНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ

February 6, 2013 by admin Комментировать »

Галдецкий А. В., Королев А. Н. ФГУП «НПП Исток» г. Фрязино, Россия, 141190 тел.: 495-465-8620, e-mail: galdetskiy@mail.ru

Аннотация – Рассмотрена возможность повышения усиления клистродов более чем на 10 дБ за счет использования двухзазорного входного резонатора с неравными вч напряжениями в зазорах. Предложены пути повышения технического КПД клистрода за счет использования взаимодействия с двумя гармониками тока (класс F): либо при работе на двух модах выходного резонатора либо используя дополнительный резонатор, настроенный на Зю гармонику. Это позволяет довести максимальный технический КПД до 74%. Анализируется возможность улучшения линейности прибора при подаче низкочастотного видеосигнала на вход лампы (динамическом смещении).

I.                                       Введение

Fig. 1. Multibeam TV ЮТ manufactured at Istok"

Fig. 2. Schemes of ЮТ: а – conventional, b – with the increased gain and linearity

Рис. 2. Схемы клистродов: а – традиционная, б-с повышенным усилением и линейностью.

Рис. 1. Многолучевой телевизионный клистрод производства ФГУП «НПП Исток».

Клистроды (лампы с индукционным выходом – ЮТ) зарекомендовали себя как простые, надежные, недорогие усилители в диапазоне до 1 ГГц. В настоящее время они практически вытеснили клистроны для мощных телевизионных передатчиков и фактически стали общепринятым стандартом благодаря сохранению высокого кпд при изменении уровня входного сигнала [1, 2]. Эта особенность заставляет мириться даже с их невысоким усилением (-20 дБ), хотя вынужденное повышение усиления и мощности предварительного усилителя усложняет передатчик и повышает его стоимость. С момента создания прибора продолжаются усилия по повышению его характеристик. Так, использование многолучевой конструкции клистрода (Рис. 1) позволяет использовать сетки небольшого диаметра (более формоустойчивые и технологичные) и несколько поднять усиление [2, 3].

При совместном усилении каналов звука и изображения большое значение имеет линейность прибора, которая зависит от сеточной ВАХ и с трудом поддается оптимизации. Использование линеариза- торов с предыскажениями дает результат, однако требует тщательной фазировки вч сигнала коррекции, чего трудно добиться на практике.

Возможно повышение усиления и кпд за счет дополнительных группирующих резонаторов (тристрон) [4, 5], однако это увеличивает габариты и стоимость прибора и затрудняет его перестройку. Учитывая круглосуточный режим работы телевизионного передатчика и высокую потребляемую мощность, повышение усиления и технического КПД прибора все еще является актуальным и ключевым для его конкурентоспособности.

II.                       Повышение усиления

Традиционная схема включения клистрода показана на Рис. 2а. Через зазор входного резонатора проходит полный электронный вч ток лампы, который существенно нагружает резонатор, что требует большую мощность входного сигнала. В то же время если угол пролета через зазор сетка-анод невелик, то электронный поток способен отдать в нем значительную часть введенной в него входной мощности (что нередко приводит к необходимости использования поглотителей в области анодного зазора). В [6-8] рассмотрена работа входного двухзазорного резонатора, с равными и противофазными вч напряжениями на зазорах так, чтобы во втором зазоре рекуперировать часть входной мощности, и тем самым повысить усиление прибора. При полной рекуперации предельное усиление ограничивается собственной добротностью входного резонатора, однако, поскольку угол пролета в зазоре сетка-анод обычно не слишком мал выигрыш в усилении составляет 3-5 дБ [7, 8].

Мы предлагаем конструкцию (Рис. 26), в которой дополнительная индуктивность анодной части резонатора давала возможность увеличить вч напряжение в анодном зазоре по сравнению с сеточным [9, 10]. Изменяя это соотношение варьированием индуктивности можно увеличивать усиление вплоть до самовозбуждения. Фактически речь идет об управлении горячей добротностью входного резонатора для достижения регенеративного усиления, и достижимое усиление ограничивается лишь требуемой полосой частот прибора. Для типичной для телевизионных клистродов величины Δί=8ΜΓί( при входном зазоре 0.4 мм выигрыш в усилении на частоте 800 МГц может превысить 12 дБ.

Следует подчеркнуть что данный эффект может быть получен без изменения вакуумной части прибора – за счет изменения конструкции навесного входного резонатора. Двухконтурная входная система позволит еще более повысить усиление.

III.  Использование поля высших гармоник для повышения КПД (класс F)

Характерной особенностью работы клистрода в кпассе АВ, отличающей его от клистронов, является сравнительно большая длительность сгустка тока, составляющая 0.3-0.5 периода сигнала. За это время в традиционной конструкции клистрода тормозящее поле в зазоре выходного резонатора меняется существенно, так что максимально тормозится средняя часть сгустка, а его начало и конец отдают небольшую часть энергии. Это явление является основным механизмом, ограничивающим КПД лампы. Попытки уменьшения длительности сгустка за счет дополнительного, группирующего резонатора [4, 5, 8] (в том числе настроенного на вторую гармонику) приводили к увеличению длины лампы и повышению требований к фокусирующей магнитной системе. Это, по- видимому, не позволило создать конкурентоспособную промышленную конструкцию.

Мы рассматриваем другую возможность повышения однородности энергоотбора от различных групп электронов: за счет формирования в выходной системе тормозящего поля, содержащего высшие гармоники и имеющего форму близкую к меандру (Рис.З) [10]. В простейшем случае достаточно использовать две гармоники. Фактически такой бигар- монический режим работы выходной секции кпист- рода соответствует работе транзисторных СВЧ усилителей в классе F.

Фаза, рад

Рис. 3. ВЧ напряжение в выходной системе, содержащее первую и третью гармоники.

Fig. 3. RF voltage in output gap having fundamental and third harmonics

Нетрудно показать, что вторая гармоника тока имеет неподходящую фазу по отношению к первой и не может быть использована для повышения КПД, так что практически пригодной для использования является третья гармоника. Одним из способов формирования бигармонического поля является применение резонатора, использующего две моды, настроенные на первую и третью гармоники сигнала. Другая возможность – использование двух выходных резонаторов без трубы дрейфа между ними (кластера), один из которых настроен на третью гармонику (Рис. 4). Преимуществом последнего способа является независимость настроек на каждую из гармоник.

В свою очередь возможно два пути использования двухчастотного режима энергоотбора. Согласно первому нужно повысить piQih выходного резонатора на первой гармонике на 20% и настройкой рзОзн на третьей гармонике добиться прежней амплитуды поля. Спектр энергий электронов на входе в коллектор показан на Рис. 5. КПД энергоотбора по первой гармонике возрастает с 64% до 74% (дополнительно 2% отбирается на Зй гармонике).

Другой путь не требует повышения piQih выходного резонатора (и сопутствующего сужения полосы частот). При неизменной амплитуде первой гармоники, введение поля третьей гармоники приводит уменьшению амплитуды полного вч напряжения на зазоре (и электронного КПД), но существенному улучшению спектра электронов на входе в коллектор (увеличению минимальной скорости. Рис. 5). Это позволяет организовать одноступенчатую рекуперацию пучка в коллекторе. Электронный КПД остается равным 64%, но технический возрастает до 74%. Дополнительный резонатор может располагаться как до, так и после основного (Рис. 4).

Рис. 4. 1\/1ноголучевой кластер из резонаторов, настроенных на первую и третью гармоники.

Fig. 4. IViuitibeam duster of cavities tuned to fundamental and third harmonics Рассмотренные возможности энергоотбора не только уменьшают потребляемую мощность кпист- рода, но и позволяют существенно (в 1.6 раза) уменьшить мощность, рассеиваемую в коллекторе, а значит ослабить требования к системе охлаждения

Рис. 5. Спектр электронов по энергиям после выходной секции.

Fig. 5. Electrons’ energy spectrum after output section

nf thR tiihf^

IV.        Повышение линейности клистрода

Уникальной особенностью клистрода является возможность модуляции тока пучка не только радиочастотным сигналом, но и низкочастотным (видео) сигналом. Это позволяет «подмешивать» к вч сигналу на сетке лампы модулирующий нч сигнал (Рис. 2Ь) так, что их интермодуляционные компоненты могут компенсировать продукты интермодуляции вч компонент сигнала [9, 10]. При этом в значительной мере ослабленными оказываются проблемы правильной фазировки основного и дополнительного сигналов. Параметры линеаризующего нч напряжения зависят от используемого типа модуляции вч сигнала. Мы рассмотрели эффект нч линеаризации в случае амплитудной модуляции для клистрода в кпассе АВ (напряжение запирания -180 В, напряжение смещения -150 В, ток покоя составляет 7% максимального тока, амплитуда вч сигнала основного тона 100 В, амплитуда линеаризующего нч сигнала 25 В). Типичные зависимости компонент выходного сигнала кпистрода от уровня модуляции входного сигнала показаны на Рис. 6.

Рис. 6. Амплитуды компонент первого и третьего

порядка в выходном сигнале в зависимости от уровня модуляции с линеаризацией и без нее Fig. 6. Amplitudes of order and 3”’ order components in output signal \/s modulation level – with and without linearization.

Укажем, что использование рассмотренного механизма динамического смещения способно увеличить и средний КПД лампы при усилении реального телевизионного сигнала.

Следует также заметить, что наблюдаемое иногда повышение нелинейных искажений в кпистроде при выборе недостаточно низкоомной цепи смещения сетки обусловлено детектированием лампой входного вч сигнала и включением механизма, аналогичного описанному, однако с нч напряжением на сетке в «неправильной» полярности.

V.                                   Заключение

с помощью численного моделирования мы показали, что использование двухчастотного режима отбора энергии в выходной секции кпистрода позволяет повысить максимальный КПД кпистрода с 64% до 74%. Впервые предложено использовать для этой цели кластер из резонаторов, настроенных на первую и третью гармоники сигнала.

Двухзазорный входной резонатор с неодинаковыми вч напряжениями в зазорах позволяет повысить усиление лампы более чем на 12 лБ

Применение низкочастотной линеаризации дает возможность на 10-12 дБ улучшить линейность лампы.

VI.                          Список литературы

[1]  D. Н. Preist and М. В. Shrader. The klystrode – an unusual transmitting tube with potential for UHF-TV. Proc. IEEE, vol.70, pp.1318-1325, Nov. 1982.

[2]  Сушков A. Д., Meoc B. A., Федоров В. A. и др. Электронная лампа. А. с. 1035677 СССР Н01 21/18. Приор. 06.06.1981. Бюл. изобр. № 30 1983.

[3]  А. Н. Королев, С. А. Зайцев, М. И. Лопин и др. Многолучевые клистроды для телевидения и радарных применений. Электронная техника, сер. Электроника СВЧ,

№ 1. с.5-7, 2003.

[4]  Сушков А. Д., Федяев В. К. Расчет пакетирования электронов в триод-клистроне. Изв. ВУЗов, сер. Радиоэлектроника № 11 с. 1033-1043, 1967.

[5]  Nelson R. В. Beam tube with density plus velocity modulation. US patent 4 611 149. HOI J25/00 Prior Nov. 7 1984.

[6]  D. H. Preist. Elektronenrohre. Deutsches patentamt. DE 3421530 A1, HOI J25/02. Prior. 9 Juni 1983.

[7]  Сушков A. Д. Электронное пакетирующее устройство. A. с. 247427 СССР HOI 21/18. Приор. 25.07.1968. Бюл. изобр. № 22 1969.

[8]  Сушков А. Д., Меос В. А. Основные достижения и направления развития клистродов. Электронная техника. Сер.4, 1992, вып.З, с.17-20.

[9]  Галдецкий А. В., Королев А. Н. О возможности повышения усиления и линейности телевизионных клистродов.

В кн.: 15-я Междунар. Крымская конф. «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо’2005). Материалы конф. [Севастополь, 14-17 сент. 2005 г.]. – Севастополь: Вебер, 2005, с. 195-196.

[10]Галдецкий А. В. Перспективные методы повышения кпд, усиления и линейности клистродов. Зимняя школа по СВЧ электронике. Саратов, 2006.

TV ЮТ: ACHIEVEMENTS AND PROSPECTS

А. V. Galdetskiy, А. N. Korolev FSUE ISTOK"

2a Vokzalnaya, Fryazino, 141190, Russia phone: (495) 465-86-20, e-mail: galdetskiy@mail.ru

Abstract – An opportunity of lOT gain increase more than 12 dB is considered using two-gap input cavity with unequal rf voltages across gaps. A new approach to lOT efficiency increasing is proposed using interaction of the beam with two harmonics in output section (class F). Such a mode allows achieving maximal efficiency up to 74%. Device linearity can be improved provided low-frequency video signal at the tube input (dynamical bias).

I.                                       Introduction

lOTs have proved as simple, reliable, inexpensive devices operating within the band up to 1 GHz. Now they have actually become the standard for output stages of powerful TV transmitters and have practically displaced klystrons due to maintaining of high efficiency at input signal level variations [1, 2]. This feature compels to bear even with their low gain (-20 dB) though forced increase of gain and power of the preliminary amplifier complicates transmission and increases its cost. Since the invention of lOT a lot of efforts have been applied in order to enhance its performances. For example multibeam tube design (Fig. 1) allows the using of small diameter grids (more robust and manufacturable) and gain increasing [2, 3].

At common audio and video signals amplification device linearity is of great value. It depends on grid-anode IV curve and is difficult for optimization. Use of pre-distortion linearizers gives a result, however demands careful RF signals phasing which is hardly achievable in practice.

Efficiency and gain increase using additional bunching cavity (tristron) [4, 5] causes tube dimensions and cost increasing and complicates its tuning. Considering a 24/7/365 operation of the TV transmitter and high power consumption, increase of device technical efficiency and gain still remains actual and is very important for its competitiveness.

II.                                  Increase of Gain

The typical circuit of lOT is shown in Fig. 2a. The full electron current of the tube flows through the gap and significantly loads input cavity which demands large input signal power and implies small gain. However provided the transit-time of grid- anode gap is small, the electron flow is capable to return a significant part of the received input power. This may force the use of special microwave absorbers near anode gap. In [6-8] the input two-gap cavity with equal and antiphased RF voltages across gaps was considered. It makes possible to recuperate a portion of input RF power (and to increase gain). At perfect recuperation the gain achievable is limited by intrinsic Q-factor of input cavity. However usually the transit time of the gap grid- anode is not very small and extra gain doesn’t exceed 3-6 dB [7, 8].

We propose input cavity design modification (Fig. 2b) so that additional inductance of the cavity anode part leads to RF voltage increasing in anode gap with respect to cathode gap [9, 10]. By changing inductance one can influence this ratio and increase the gain even to self-excitation. In fact the matter concerns control of “hot” Q-factor in order to get regenerative amplification and the gain achievable is limited only by required tube bandwidth. For TV lOTs typical bandwidth is equal to Af=8MHz, cathode gap d = 0.4 mm and extra gain can exceed 12 dB at frequency 800 MHz.

We should emphasize that this advantage can be obtained without variation of amplifier vacuum part, but only due to modification of external input cavity. The use of input two-cavity circuit will result in additional gain.

III.  Use of Higher Harmonics for Efficiency Increase (class F)

Specific feature of lOT at operation in class AB, distinguishing it from klystron, is the use of electron bunch with rather high duration – 0.3-0.5 periods of a signal. In lOT conventional design decelerating field in the output cavity gap is changing essentially during this time. Thus deceleration of the bunch middle part is maximal, while the front and the end of a bunch return a small part of their energy. This phenomenon is the main mechanism limiting tube efficiency. Attempts to shorten bunch length using additional bunching cavity [4, 5, 8] (including cavity tuned to second harmonics) lead to increasing of tube length and to strengthening of focusing system specifications which apparently prevented competitive industrial design.

We consider another opportunity in order to increase the deceleration uniformity for various electron groups: by decelerating field generating in the output system containing higher harmonics and having profile close to meander (Fig.3) [10]. Most simple is the use of two harmonics. Actually such biharmonic operating mode of lOT output section corresponds to operation of microwave transistor in class F.

It is easy to show, that the second harmonic of electron current has an improper phase with respect to the fundamental and can not be used for of efficiency increasing, thus the third harmonic is practically suitable. Such bi-harmonic field can be formed in a cavity with two modes which have been tuned to the fundamental and the third harmonics of a signal. Another opportunity is the use of two output cavities without drift tube between them (cluster), one of which is tuned to the third harmonic (Fig.4). Advantage of this approach is tuning independence for each harmonic.

In order to provide efficiency increasing there are two methods of bi-harmonic field application. The first method implies increasing piQih of output cavity at fundamental harmonic on 20% and further tuning рзОзн on the third harmonic, in order to provide the absence of reflected electrons. Electrons energy spectrum at collector input is shown in Fig. 5. The efficiency on the first harmonic increases from 64% up to 74% (in addition 2% is extracted on 3rd harmonics).

Another method does not imply the increase piQih of the output cavity (and accompanying narrowing of the frequency bandwidth). The fundamental harmonic amplitude remains fixed, so the field of the third harmonic results in reduction of RF voltage full amplitude in a gap (and electronic efficiency) and in substantial improvement of electrons energy spectrum at collector aperture (increase in the minimal speed. Fig.5). This makes possible effective one-stage recuperation of the beam in the collector (depressed collector). The electronic efficiency remains equal 64%, but technical efficiency increases up to 74%. The additional resonator can be installed either prior or after main cavity (Fig.4).

The opportunities considered regarding efficiency increase not only reduce lOT power consumption but also make possible to essentially (in 1.6 times) reduce the power dissipated in a collector.

IV.                              Increase of Linearity

Unique feature of lOT is the opportunity of electron beam modulation not only by RF signal, but also by low-frequency (video) signal. It allows mixing modulating base-band LF signal into main RF signal on the tube grid (Fig. 2b), so that their intermodulation products compensate intermodulation products of signal RF components [9, 10]. This approach makes possible to reduce appreciably problems of correct phasing of main and linearizing signals. Linearizing signal parameters depend on modulation type of RF signal. We considered effect of low- frequency linearization in the case of amplitude modulation signal passing through TV lOT operating in class AB (turn-off voltage -180 V, bias voltage -150 V, quiescent current 7% of maximal current, amplitude of input signal fundamental harmonic 100 V, amplitude of linearizing base-band signal 25 V). Typical dependencies of the output signal components on amplitude of input base-band signal are shown in Fig. 6. The mechanism of dynamic biasing is also suitable for increasing of the tube average efficiency at real TV signal amplification.

We should note that sometimes nonlinear distortions’ increasing is observed in lOTs with high-ohmic biasing circuit. This phenomenon can be explained considering input RF signal detection by the tube.

V.                                        Conclusion

Numerical simulation has demonstrated that two-frequency mode of beam deceleration in the lOT output section can increase the tube efficiency from 64% to 74%. This can be implemented using two cavity modes or cavities cluster tuned to fundamental and the third harmonic. Two-gap input cavity with unequal RF voltages across gaps makes it possible to increase gain more than 12 dB. Dynamic biasing can improve tube linearity on 10-12 dB at the cost of small design complication but maintaining other functionalities.

VI.                                       References

[1]  D. H. Preist and M. B. Shrader. The klystrode – an unusual transmitting tube with potential for UHF-TV. Proc. IEEE, vol.70, pp.1318-1325, Nov. 1982.

[2]  SushkovA. D., Meos V. A. Fedorov V. A. etal. Electron tube. Patent USSR 1035677 H01 21/18. Prior 06.06.1981. Bui. Izobr 30 1982.

[3]  A. N. Korolev, S. A. Zaitsev, M. I. Lopin, etc. Multiple-beam klystrodes for TV and radar applications. Electron. Techn. (Elektronika SVCh), 2003, vol. 1, pp.5-7.

[4]  Sushkov A. D., Fedyaev V. K. Calculation of electrons’ bunching in triode-klystrone. Izv. VUZov ser. Radioelektro- nElekika 11 p. 1033-1043, 1967.

[5]  Nelson R. B. Beam tube with density plus velocity modulation. us patent 4 611 149. HOI J25/00 Prior Nov. 7 1984.

[6]  D. H. Preist. Elektronenrohre. Deutsches patentamt. DE 3421530 Al, HOI J25/02. Prior. 9 Juni 1983.

[7]  SushkovA. D. Electron bunching device. Patent USSR 247427 HOI 21/18. Prior. 25.07.1968 Bui. izobr. 22 1969.

[8]  Sushkov A. D., Meos V. A. Main achievements and directions of development of IOTs. Elektronnaia technika. Ser.4, 1992, V.3, p. 17-20.

[9]  Gaidetskiy A. V., Korolev A. N. On opportunity of increase of the gain and linearity of television lOTs. In book: 15-th Int. Crimean conf. «The microwave technique and telecommunication technologies» (Crimico-2005). Conf. materials [Sebastopol, Sep. 14-17 2005]. – Sebastopol: 2005, p. 195-196.

Gaidetskiy A. V. Perspective methods of increase of efficiency, gain and linearity of lOTs. Wnter school on the minrnwavp p|pntrnnin«; Saratnv 9nDR

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты