УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ НА ЛАМПЕ БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ Российский патент 1997 года по МПК H03F3/58 H01J25/34 

Изобретение относится к радиотехнике и может найти применение в передающих устройствах СВЧ диапазона.

Известен усилитель мощности на лампе бегущей волны (ЛБВ), содержащий ЛБВ, анод которой через первую обмотку трансформатора и первый источник постоянного напряжения подключен к ее катоду, точка соединения первой обмотки трансформатора и первого источника постоянного напряжения подключена к первому выводу конденсатора и аноду вентиля, катод которого соединен с вторым выводом конденсатора через вторую обмотку трансформатора. Сетка ЛБВ через третью обмотку трансформатора и параллельно включенные реактивный двухполюсник и цепь из последовательно соединенных резистора и второго источника постоянного напряжения соединена с ее катодом. Замедляющая система ЛБВ подключена к общей шине устройства. Вход компаратора соединен с отводом аттенюатора, общий вывод с первым выводом аттенюатора, с катодом трехэлектродной лампы и с первым выходом блок управления, а через четвертую обмотку трансформатора компаратор подключен к общей шине устройства. Выход компаратора через первый резистор соединен с управляющей сеткой трех электродной лампы и через первый конденсатор с вторым выходом блока управления. Аттенюатор включен между общей шиной устройства и катодом ЛБВ. Точка соединения второго конденсатора и второй обмотки трансформатора через источник постоянного напряжения и пятую обмотку трансформатора соединена с анодом трехэлектродной лампы (Авторское свидетельство СССР N 1107284, МКИ Н О3 F 3/58, 1984).

Однако данное устройство не обеспечивает работу при максимальном значении КПД с изменением выходной мощности в широких пределах.

Известен усилитель мощности на ЛБВ, который содержит схему управления для изменения рабочего состояния ЛБВ по командному сигналу на изменение рабочего режиму, схему обнаружения с выделением аномальной информации и схему защиты, которая в соответствии с выходными сигналами со схемы обнаружения осуществляет защиту ЛБВ. Усилитель содержит также формирователь, который формирует имитированный аномальный сигнал после подачи командного сигнала на изменение рабочего режима. Формирователь соединен с преобразователем, соединенным со схемой обнаружения аномальной информации. (Патент Японии N 58-46886, МКИ НО3F 3/58). Однако данное устройство не обеспечивает возможности регулировки выходной мощности усилителя при максимальном значении КПД для данной выходной мощности.

Известен усилитель мощности на ЛБВ, который по решаемой задаче и общности структурных признаков наиболее близок к настоящему изобретению и выбран в качестве прототипа. Усилитель мощности на ЛБВ содержит ЛБВ, катод которой подключен к стабилизатору напряжения управляющего электрода и через стабилизатор напряжения анода подключен к аноду ЛБВ. Подогреватель катода подключен к стабилизатору напряжения подогревателя, между катодом и шиной нулевого потенциала включен стабилизатор напряжения замедляющей системы ЛБВ, коллекторы которой через стабилизатор напряжения коллекторов подключены к катоду (Spacecraft and Rockets, 1981, V 18, N 6, s.496-4980). Однако данное устройство не позволяет осуществить регулировку выходной мощности усилителя при максимальном значении КПД для данной выходной мощности и оперативно перестроить выходную мощность усилителя по величине.

Изобретением решается задача по обеспечению возможности регулировки выходной мощности усилителя при максимальном значении КПД для данной выходной мощности и оперативной перестройки выходной мощности усилителя по величине, что является существенным при использовании усилителя мощности в многоканальных ретрансляторах.

Сущность изобретения заключается в том, что в усилитель мощности на ЛБВ, содержащий ЛБВ, катод которой подключен к стабилизатору напряжения управляющего электрода и через стабилизатор напряжения анода подключен к аноду ЛБВ, подогреватель катода подключен к стабилизатору напряжения подогревателя, между катодом и шиной нулевого потенциала включен стабилизатор напряжения замедляющей системы ЛБВ, коллекторы которой через стабилизатор напряжения коллекторов подключены к катоду, введены источник запирающего напряжения, управляемый коммутатор, буферный регистр, два блока постоянной памяти (БПП), два цифроаналоговых преобразователя (ЦАП), усилитель рассогласования и делитель напряжения. Источник запирающего напряжения включен между катодом и первым входом управляемого коммутатора, второй выход которого подключен к выходу стабилизатора напряжения управляющего электрода, выход управляемого коммутатора подключен к управляющему электроду ЛБВ. Выходы буферного регистра соединены с входами первого и второго (БПП). Выход первого БПП соединены с входами первого ЦАП, выход которого соединен с первым входом усилителя рассогласования, второй вход которого подключен к выходу делителя напряжения, включенному между анодом ЛБВ и шиной нулевого потенциала, выход усилителя рассогласования подключен к управляющему входу стабилизатора напряжения анода. Выходы второго БПП подключены к входам второго ЦАП, выход которого подключен к управляющему входу стабилизатора напряжения замедляющей системы. Третий вход управляемого коммутатора является входом включения выключения усилителя мощности. Входы буферного регистра подключены к шине управления выходной мощностью усилителя. Вход и выход ЛБВ являются информационными входом и выходом усилителя.

На чертеже приведена схема усилителя мощности на ЛБВ.

Усилитель мощности содержит лампу 1 бегущей волны (ЛБВ), стабилизатор 2 напряжения управляющего электрода, стабилизатор 3 напряжения анода, стабилизатор 4 напряжения подогревателя, стабилизатор 5 напряжения замедляющей системы, стабилизатор 6 напряжения коллекторов, источник 7 запирающего напряжения, управляемый коммутатор 8, буферный регистр 9, первый и второй блоки 10 и 11 постоянной памяти (БПП), первый и второй цифроаналоговые преобразователи 12 и 13 (ЦАП), усилитель 14 рассогласования и делитель 15 напряжения.

Стабилизатор 5 напряжения замедляющей системы включает усилитель 5.1 рассогласования, регулирующий элемент 5.2 и делитель 5.3 напряжения.

В усилителе мощности на ЛБВ катод ЛБВ 1 подключен к стабилизатору 2 напряжения управляющего электрода и к источнику 7 запирающего напряжения. Выход стабилизатора 2 напряжения и источника 7 запирающего напряжения соединены соответственно к первому и второму входам управляемого коммутатора 8, третий вход которого является входом включения отключения усилителя мощности. Выход управляемого коммутатора 8 подключен к управляющему электроду ЛБВ 1, подогреватель катода которой подключен к стабилизатору 4 напряжения подогревателя. Катод ЛБВ 1 через стабилизатор 3 напряжения анода подключен к аноду ЛБВ 1. Между катодом и шиной нулевого потенциала включен стабилизатор 5 напряжения замедляющей системы ЛБВ 1. Коллекторы ЛБВ 1 подключены через стабилизатор 6 напряжения коллекторов к катоду ЛБВ 1.

Выход буферного регистра 9 соединены соответственно с входами первого и второго БПП 10 и 11, выходы которых соединены соответственно с входами первого и второго ЦАП 12 и 13. Выход первого ЦАП 12 соединен с первым входом усилителя 14 рассогласования, второй вход которого подключен к выходу делителя 15 напряжения, включенному между анодом ЛБВ 12 и шиной нулевого потенциала. Выход усилителя 14 рассогласования подключен к управляющему входу стабилизатора 3 напряжения анода. Выход второго ЦАП 13 соединен с первым входом усилителя 5.1 рассогласования стабилизатора 5 напряжения замедляющей системы.

Входы буферного регистра 9 подключены к шине управления входной мощностью усилителя, а вход и выход ЛБВ являются информационными входом и выходами усилителя.

В стабилизаторе 5 напряжения замедляющей системы первый вход усилителя 5.1 рассогласования подключен к выходу ЦАП 13, а второй вход к делителю 5.3 напряжения, включенному между катодом ЛБВ и шиной нулевого потенциала. Выход усилителя 5.1 рассогласования подключен к входу управления регулирующего элемента 5.2, включенному между катодом ЛБВ и шиной нулевого потенциала.

Усилитель мощности на ЛБВ работает следующим образом. В усилителе мощности источники питания обеспечивают электрический режим на электродах ЛБВ. Стабилизатор 2 напряжения управляющего электрода обеспечивает электрический режим на управляющем электроде (УЭ) ЛБВ. Стабилизатор 3 напряжения анода обеспечивает электрический режим на аноде (А) ЛБВ. Стабилизатор 4 напряжения подогревателя обеспечивает электропитание подогревателя (П) катода ЛБВ. Стабилизатор 5 напряжения замедляющей системы обеспечивает электрический режим замедляющей системы (ЗС)) ЛБВ. Стабилизатор 6 напряжения коллекторов обеспечивает электропитание трех коллекторных электродов (К1, К2, К3) ЛБВ. Все напряжения питания электродов ЛБВ формируются относительно катода и не имеют гальванической связи с шиной нулевого потенциала за исключением стабилизатора напряжения замедляющей системы.

При включении усилителя мощности одновременно на все электроды ЛБВ подаются питающие напряжения, за исключением управляющего электрода. На управляющий электрод ЛБВ подается напряжение от источника 7 запирающего напряжения через управляемый коммутатор 8. После разогрева подогревателя катода на третий вход управляемого коммутатора 8 поступает сигнал включения усилителя мощности. При этом управляемый коммутатор 8 обеспечивает отключение источника 7 запирающего напряжения и подключение к управляющему электроду ЛБВ стабилизатора 2 напряжения управляющего электрода. Таким образом усилитель мощности переводится во включенное состояние. Для отключения усилителя мощности коммутации осуществляются в обратном порядке.

Для выбранного электрического режима на электродах ЛБВ выходная мощность зависит от величины входной мощности подаваемой на ВЧ вход. Максимальная мощность на ВЧ выходе ЛБВ будет соответствовать работе ее в режиме насыщения, что соответствует максимальному КПД усилителя мощности. Уменьшение выходной мощности усилителя за счет перевода ЛБВ в линейный режим ведет к ухудшению КПД усилителя, что является не оптимальным режимом работы для автономного объекта с ограниченной мощностью первичного источника питания.

При построении многоканальных ретрансляторов возникает необходимость менять выходную мощность усилителя мощности в зависимости от скорости передачи информации при обеспечении максимального КПД усилителя мощности. Для этого необходимо установленному значению выходной мощности усилителя выбрать такой режим электропитания электродов, чтобы ЛБВ работала в режиме насыщения. При этом изменяя электрический режим питания электродов ЛБВ можно обеспечить максимальный КПД усилителя при любой величине выходной мощности.

Электрический режим ЛБВ обеспечивается совокупностью источников электропитания всех электродов. Однако определяющими являются стабилизаторы напряжений анода и замедляющей системы, к которым предъявляются повышенные требования по стабильности выходных напряжений.

Поэтому для управления электрическим режимом ЛБВ используются только два стабилизатора напряжения. Стабилизатор 3 напряжения анода используется для изменения тока катода ЛБВ и как следствие величины выходной мощности усилителя. Его выходное напряжение должно меняться в широких пределах. Стабилизатор 5 напряжения замедляющей системы используется для обеспечения фокусировки электронного пучка с целью оптимизации режима ЛБВ для данной величины выходной мощности усилителя и обеспечения режима работы с максимальным КПД. Выходное напряжение стабилизатора замедляющей системы должно меняться в малых пределах.

Стабилизатор 5 напряжения замедляющей системы выполнен по компенсационной схеме, обеспечивающей получение высокого коэффициента стабилизации напряжения. В стабилизаторе 5 напряжения делитель напряжения 5.3 включен между катодом ЛБВ и шиной нулевого потенциала.

С его выхода сигнал поступает на один из входов усилителя 5.1 рассогласования, на другой вход которого подается опорное напряжение. С выхода усилителя рассогласования 5.1 сигнал поступает на управляющий вход регулирующего элемента 5.2, который, изменяя свое состояние, обеспечивает стабилизацию напряжения замедляющей системы пропорционально величине опорного напряжения. Усилитель рассогласования может быть реализован на основе операционного усилителя. Регулирующий элемент включает в себя входной преобразователь напряжения с выходом на переменном токе, на выходе которого устанавливается диодный мост, в диагональ которого включается транзистор, подключаемый к усилителю рассогласования, а также выходной трансформатор, выпрямитель и фильтр, обеспечивающие необходимый уровень и качество выходного напряжения. Делитель напряжения выполняется на высокостабильных резисторах.

Стабилизатор 3 напряжения анода включен между катодом и анодом ЛБВ и находится под высоким потенциалом относительно шины нулевого потенциала. Для обеспечения возможности изменения напряжения анода управляющим сигналом, действующим относительно шины нулевого потенциала, стабилизация анодного напряжения осуществляется следующим образом. Делитель 15 напряжения включен между анодом ЛБВ и шиной нулевого потенциала. Сигнал с выхода делителя 15 напряжения поступает на один из входов усилителя 14 рассогласования, на другой вход которого подается опорное напряжение. С выхода усилителя 14 рассогласования сигнал поступает на управляющий вход стабилизатора 3 анода. Таким образом стабилизация напряжения анода осуществляется косвенным образом. Фактически напряжение стабилизируется между анодом и шиной нулевого потенциала. Поэтому нестабильность источника анода будет складываться из нестабильностей стабилизатора 3 напряжения анода и стабилизатора 5 напряжения замедляющей системы, что учитывается на этапе проектирования усилителя мощности.

Изменение электрического режима питания анода и замедляющей системы ЛБВ осуществляется следующим образом. По шине управления выходной мощностью усилителя на входы буферного регистра 9 подается код, соответствующий необходимому уровню мощности. Буферный регистр 9 осуществляет память кода управления выходной мощностью. С выходов буферного регистра 9 сигналы поступают на первый блок 10 постоянной памяти (БПП) и второй блок 11 постоянной памяти (БПП). С выходов БПП сигналы соответственно поступают на первый и второй ЦАП 12 и 13. Выход ЦАП 12 подключен к второму входу усилителя 14 рассогласования. ЦАП 12 является источником опорного напряжения стабилизатора 3 анода. Выход ЦАП 13 подключен к второму входу усилителя 5.1 рассогласования стабилизатора 5 замедляющей системы. ЦАП 13 является источником опорного напряжения стабилизатора 5 замедляющей системы. БПП 10 и 11 программируются следующим образом. Для заданной мощности усилителя экспериментально определяются напряжения питания анода и замедляющей системы и задается код на шине управления выходной мощностью буферного регистра 9 соответствующий выходной мощности. Далее определяются величины опорных напряжений для стабилизаторов анода и замедляющей системы и соответствующий этим напряжениям цифровой код. В соответствии с этими кодами осуществляется программирование БПП 10 и 11. Такая операция проводится для всех выбранных уровней выходной мощности усилителя. Приведенная схема стабилизации напряжений анода и замедляющей системы и их управление позволяет обеспечить практически неограниченное число ступеней выходной мощности усилителя без увеличения габаритов устройства. Следует заметить, что приведенная схема стабилизации и управления напряжений анода и замедляющей системы позволяет осуществить оперативное управление усилителем мощности, быстродействие которой будет определяться постоянными времени стабилизаторов анода и замедляющей системы.

Таким образом, предполагаемая схема усилителя мощности на ЛБВ позволяет обеспечить практически неограниченное число ступеней выходной мощности усилителя при обеспечении максимального КПД усилителя для каждого номинала выходной мощности.

Использование: в передающих устройствах СВЧ диапазона. Сущность изобретения: цель - обеспечение регулировки выходной мощности и обеспечение оперативной перестройки выходной мощности по величине, что имеет большое значение при использовании усилителя мощности на ЛБВ в многоканальных ретрансляторах. Усилитель мощности содержит ЛБВ 1, катод которой подключен к аноду через стабилизатор 3 напряжения, управляющий электрод ЛБВ подключен к катоду через управляемый коммутатор 8, входы которого соединены с выходом стабилизатора 2 напряжения и с выходом источника 7 запирающего напряжения. Подогреватель катода подключен к стабилизатору 4 напряжения, замедляющая система ЛБВ подключена к шине нулевого потенциала, а коллекторы ЛБВ подключены к стабилизатору 6 напряжения. Между катодом и шиной нулевого потенциала включен стабилизатор 5 напряжения замедляющей системы. Входы буферного регистра 9 подключены к шине управления выходной мощностью усилителя, а его выходы соединены с первым и вторым блоками 10 и 11 постоянной памяти, выходы которых соединены с входами первого и второго ЦАП 12 и 13. Выход ЦАП 12 соединен с первым входом усилителя 14 рассогласования, второй вход которого соединен с выходом делителя 15 напряжения, включенному между анодом ЛБВ и шиной нулевого потенциала. Выход ЦАП 13 подключен ко входу управления усилителя 5.1 рассогласования стабилизатора 5 напряжения. 1 ил.

Усилитель мощности на лампе бегущей волны, содержащий лампу бегущей волны, катод которой подключен к стабилизатору напряжения управляющего электрода и через стабилизатор напряжения анода подключен к аноду лампы бегущей волны, подогреватель катода подключен к стабилизатору напряжения подогревателя, между катодом и шиной нулевого потенциала включен стабилизатор напряжения замедляющей системы лампы бегущей волны, коллекторы которой через стабилизатор напряжения коллекторов подключены к катоду, причем вход и выход лампы бегущей волны являются информационными входами выходом усилителя мощности, отличающийся тем, что в него введены источник запирающего напряжения, управляемый коммутатор, буферный регистр, два блока постоянной памяти, два цифроаналоговых преобразователя, усилитель рассогласования и делитель напряжения, причем источник запирающего напряжения включен между катодом и первым входом управляемого коммутатора, второй вход которого подключен к выходу стабилизатора напряжения управляющего электрода, выход управляемого коммутатора подключен к управляющему электроду лампы бегущей волны, выходы буферного регистра соединены с входами первого и второго блоков постоянной памяти, выходы первого блока постоянной памяти соединены с входами первого цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен с первым входом усилителя рассогласования, второй вход которого подключен к выходу делителя напряжения, включенному между анодом лампы бегущей волны и шиной нулевого потенциала, выход усилителя рассогласования подключен к управляющему входу стабилизатора напряжения анода, выходы второго блока постоянной памяти подключены к входам второго цифроаналогового преобразователя, выход которого подключен к управляющему входу стабилизатора напряжения замедляющей системы, третий вход управляемого коммутатора является входом включения отключения усилителя мощности, входы буферного регистра подключены к шине управления выходной мощностью усилителя.