СПОСОБ СТАБИЛИЗАЦИИ НАПРЯЖЕНИЯ ЛУЧА КЛИСТРОНА Российский патент 2001 года по МПК H03L5/00 H01J25/10 

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к радиолокации.

При разработке импульсной передающей аппаратуры в радиолокации требуется высокая стабильность напряжения луча клистрона.

Нестабильность напряжения луча клистрона получается из-за нерегулярности потребляемой клистроном мощности при разных периодах повторения Т и изменении длительности импульсов τ, поступающих на управляющий электрод клистрона.

Высокая стабильность напряжения луча клистрона обеспечивает одинаковые фазы выходного СВЧ сигнала, что существенно улучшает параметры излучаемого сигнала и позволяет при обработке таких сигналов получить существенный выигрыш в подавлении неподвижных или медленно движущихся объектов при их обнаружении.

Питание клистрона с управляющим электродом от стабилизированного источника не обеспечивает необходимую стабильность напряжения луча клистрона, т. к. такой источник стабилизирует среднюю амплитуду, а требуется стабилизировать от импульса к импульсу, либо всю последовательность выходных импульсов, либо какие-то группы импульсов из всей последовательности.

Известен способ стабилизации напряжения луча клистрона с применением дополнительного импульсного стабилизирующего устройства [1] том 3 стр. 118.

Однако применение дополнительного стабилизирующего устройства значительно увеличивает габариты выходного каскада передатчика и снижает надежность его работы.

Известен способ стабилизации напряжения луча клистрона с помощью "грубой силы", т.е. путем многократного увеличения накопительной емкости С [1] том 3 стр. 84, т.к. ΔU ≈ I Δt/C , где Δt = T₁-T₂ - разность соседних импульсов.

Однако такой способ стабилизации напряжения луча клистрона кроме увеличения габаритов значительно снижает надежность работы клистрона и повышает вероятность пробоев в нем.

Для получения стабильного напряжения луча клистрона необходимо сделать так, чтобы отношение периода Т к длительности импульса τ (скважность Q) на управляющем электроде было близко к константе, т.е.

Предлагаемый способ стабилизации напряжения луча клистрона с управляющим электродом, основанный на приведении нерегулярного режима посылок импульсов на входе клистрона к регулярному, отличающийся тем, что определяют минимальный период всей последовательности импульсов Т_min и находят отношение T_min к его длительности τ, т.е. находят минимальную скважность всей последовательности или группы импульсов Q_min= T_min/ τ. Полученное отношение принимают за эталон, затем изменяют последующие периоды T_i или длительности τ_i всей последовательности или группы импульсов так, чтобы отношения Q_min = T_min/ τ = T_i/ τ_l были равными и минимальными.

Указанный порядок действий относится либо ко всей последовательности импульсов, поступающих на управляющий электрод клистрона, если требуется стабилизировать амплитуды всей последовательности, либо к отдельным группам импульсов, если требуется стабилизировать амплитуды в отдельных группах импульсов. Если требуется стабилизировать амплитуды отдельных групп импульсов, то выбирается T_min соответствующей группы импульсов и выполняются указанные действия.

Применение предлагаемого способа позволяет значительно упростить конструкцию, уменьшить габариты, повысить надежность выходного каскада передатчика и обеспечивает высокую стабильность напряжения луча клистрона.

Удлинять импульсы можно как за счет конца импульса, так и за счет его начала. Если удлиняют импульсы в конце, то в качестве периода берут время между фронтами - Т_ф и при этом будут стабилизироваться начала выходных импульсов. Если изменяют импульсы в начале, то будут стабилизироваться концы выходных импульсов и описанный порядок подбора длительностей сохраняется, только в этом случае имеем дело не с Т_ф, а с Т_сп, где Т_сп - время между спадами соседних импульсов.

Т_ф и Т_сп связаны следующими соотношениями при n импульсах:
T_СП(1) = T_Ф(n) - τ(n)+ τ(1)
T_СП(i) = T_Ф(i-1) - τ(i-1) + τ(i)
Из приведенных соотношений видно, что Т_сп i-го импульса равен Т_ф предыдущего импульса с учетом поправок на неодинаковость длительностей соседних импульсов. Отсюда следует, что Т_сп 1-го импульса равен Т_ф последнего импульса, Т_сп 2-го импульса равен Т_ф 1-го импульса и т.д.

Сигнал возбуждения на клистрон поступает в соответствии с заданной временной расстановкой и длительностью импульса и вписывается в импульсы управления.

Таким образом, по питанию управляющего электрода клистрона импульсы, кроме минимального, будут длиннее импульса возбуждения за счет начала импульса либо за счет его окончания. Клистрон во время той части импульса, когда отсутствует возбуждение, работает в диодном режиме и потребляет ту же мощность, что и при наличии сигнала. При стабилизации напряжения луча клистрона предложенным способом потребляемая мощность клистрона немного увеличится.

На фиг. 1, 2, 3 приведены расчетные графики огибающей последовательности из 6 импульсов. На всех фигурах первый импульс совпадает с осью ординат, а 7-й импульс - это начало повторения следующей группы импульсов.

На фиг. 1 показаны скорректированные огибающие начал импульсов за счет увеличения длительности в конце импульса - б), а на фиг. 3 - огибающие скорректированных концов импульсов за счет увеличения длительности в начале импульса - а).

На этих же фигурах приведены для сравнения разбросы амплитуд соответственно начала и конца импульсов, нескорректированных и скорректированных методом увеличения накопительной емкости в 10 раз.

На фиг. 2 приведены в увеличенном масштабе графики б) и в) из фиг. 1.

Длительности импульсов τ и их Т_ф и Т_сп при расчете следующие:
а) до корректировки (см. табл. 1),
б) после коррекции за счет увеличения длительности импульсов в конце (см. табл. 2),
в) после коррекции за счет увеличения длительности в начале импульса (см. табл. 3).

Из графиков видно, что стабилизация напряжения луча клистрона предложенным способом уменьшает разброс амплитуд импульсов более чем на два порядка (средний квадрат отклонения). Из графиков также видно, что даже 10-ти кратное увеличение накопительной емкости не дает такого эффекта стабилизации. Отметим также, что еще большего уровня стабилизации напряжения луча клистрона предложенным способом можно достичь, если изменение длительностей импульсов можно производить не только целыми частями, но и дробными.

Расчеты показывают при длительностях и периодах следующее (см. табл. 4).

Имеем среднее значение квадрата отклонения амплитуды от средней амплитуды при С=1,0.

Сравнивая этот результат с графиком а) на фиг. 2, видим, что он лучше примерно в 10 раз. Если такая стабильность не нужна, то можно накопительную емкость существенно уменьшить.

Примеры использования предложенного способа стабилизации луча клистрона.

1. Последовательность излучаемых импульсов состоит из групп амплитудных импульсов (требования по одинаковости фаз от импульса к импульсу, а значит, и амплитуд этих импульсов отсутствуют) и нескольких групп когерентных импульсов, требования к начальным фазам и, соответственно, к равенству амплитуд импульсов в группах достаточно жесткие. Группы когерентных импульсов содержат либо по 4 импульса (7-8 групп), либо по 8 импульсов (3-4 группы). Клистрон в этом случае генерирует P_ср = 10 кВт, период в группах импульсов изменяется приблизительно на 16%, а потребляемая мощность после коррекции длительности импульсов увеличивается примерно на 3...8% в различных режимах. Среднее значение квадрата отклонения амплитуды импульса от среднего значения амплитуды в группах импульсов составляет (1...9)10^-8 для различных групп импульсов.

2. Передатчик такой же импульсной мощности имеет 6 когерентных импульсов одинаковой длительности, но вобулированный период ΔT/T = ± 10%. После стабилизации предложенным способом потребляемая мощность клистрона увеличилась на 10%, а среднее значение квадрата отклонения амплитуды импульса от среднего значения амплитуды составляло 5•10^-9.

В обоих случаях передатчик на клистроне большой мощности имел стабильность излучаемого сигнала не хуже, чем маломощный полупроводниковый передатчик, хотя известно, что у полупроводникового передатчика коэффициент изменения фазы при 1% изменения питающего напряжения составляет (1...2)^o, а у клистрона K=(20...25)^oC.

Источник информации
1. Справочник по радиолокации под ред. М. Сколника, т.3. Москва: Советское радио, 1979.

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к радиолокации. Способ стабилизации напряжения луча клистрона основан на приведении нерегулярного режима посылок импульсов на входе клистрона к регулярному. Вначале определяют минимальный период T_min всей последовательности импульсов, поступающих на вход клистрона, и находят отношение минимального периода T_min к его длительности τ, т.е. находят минимальную скважность Q_min. Полученное отношение принимают за эталон. После этого изменяют последующие периоды Т_i так, чтобы отношение T_i/τ_i = T_imin/τ = Q_min были равными и минимальными. Техническим результатом является упрощение конструкции, уменьшение габаритов, повышение надежности выходного каскада передатчика и обеспечение при этом высокой стабильности напряжения луча клистрона. 3 ил., 4 табл.

Способ стабилизации напряжения луча клистрона с управляющим электродом, основанный на приведении нерегулярного режима посылок импульсов на управляющий электрод клистрона к регулярному, отличающийся тем, что определяют минимальную скважность Q_min = T_i/τ_i всей последовательности импульсов и полученное отношение Q_min принимают за эталон, затем изменяют другие периоды T_i или длительности τ_i всей последовательности так, чтобы T_i/τ_i = Q_i = Q_min были равны и минимальны.