Орлов А.Г., Севастьянов Н.Н. Бортовой ретрансляционный комплекс (БРК) спутника связи. Принципы работы, построение, параметры (2014) (1152061), страница 13

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 13)

4.2. Схема высокостабильного гетеродина с ФАПЧ:ГУН – генератор, управляемый напряжением; ЦФК – цепь фильтрации и коррекции;ФД – фазовый детектор; КГ – кварцевый генератор;×N – умножитель частоты на N; n – делитель частотСогласно этой схеме коррекцию частоты ГУНа осуществляет сигнал ФД –фазового детектора, на котором происходит сравнение частоты ГУНа с частотой68опорного генератора. Равенство сравниваемых частот обеспечивается делителямичастоты и смесителем частот, обеспечивающим необходимый сдвиг частоты с помощью стабильного гетеродина, полученного путем умножения на N частотыопорного генератора.

Следует отметить, что при реализации современных колецФАПЧ широко используется цифровая техника в операциях деления, сравненияфаз, фильтрации и формирования управляющих сигналов в кольце ФАПЧ.Теория функционирования автогенераторов с кольцом ФАПЧ хорошо разработана и изложена в различных литературных источниках (см., например, [11]).В них показано, что схема ФАПЧ обеспечивает сведение относительной стабильности частоты ГУНа к частоте опорного кварцевого генератора. При правильном выборе параметров ФАПЧ обладает фильтрующими свойствами, т.е.подавляет флуктуации фазы ГУНа, вызванные сторонними источниками, находящимися вне полосы кольца ФАПЧ. Таким образом, фазовый спектр «шума»гетеродина, т.е.

мультипликативный шум, определяющий дисперсию фазы преобразованного сигнала (наряду с влиянием аддитивного шума в полосе транспондера), сужается. Пределы снижения полосы ФАПЧ определяются динамическими характеристиками кольца ФАПЧ (устойчивостью работы, шириной полос захвата и удержания).После преобразователя частоты в состав приемного устройства включаютдополнительный транзисторный усилитель, который доводит общее усилениеприемного устройства ≥ 4050 дБ. Такое усиление необходимо для гарантированного перекрытия шумов, возникающих от УМ ЛБВ и из-за потерь во входных мультиплексорах.В состав интегрированного приемного устройства входит также источниквторичного питания, в котором осуществляется преобразование постоянногонапряжения первичной цепи в переменное, последующее его выпрямление,фильтрация и стабилизация вторичных напряжений до уровня необходимогодля функционирования составных частей приемного устройства.Типовые электрические параметры приемных устройств, основывающихсяна данных БРК для КА «Ямал», приведены в главах 4, 6.4.2.

Усилители мощности на ЛБВВ современных многоствольных БРК микроволнового диапазона для КАсвязи коммерческого назначения в качестве выходного УМ практически всегдаиспользуются усилители ЛБВ. Широкое применение ЛБВ связано с тем, что онаобеспечивает высокий к.п.д., широкую полосу пропускания, высокие ресурсныеи надежностные характеристики, высокую устойчивость к воздействию различных неблагоприятных эксплуатационных факторов на орбите, таких как радиация, механические и тепловые воздействия.Поясним принцип работы усилителя на ЛБВ. Согласно рис. 4.3 ЛБВ представляет колбу (в современных приборах, изготовленную из металлокерамическихматериалов) небольшого диаметра, в одном конце которого размещена электрон69ная пушка, предназначенная для образования узконаправленного электронногопучка. Она состоит из катода с подогревателем и системы управляющих анодов,электростатические потенциалы и форма которых создает систему электростатических линз, формирующих узкий электронный луч.

Далее этот электронный поток ускоряется положительно заряженными электродами замедляющей системыи коллектора (или системы из нескольких коллекторов в современной ЛБВ), расположенного в конце лампы, эвакуирующего электронный поток.Рис. 4.3. Усилитель на ЛБВПринципиальным элементом ЛБВ является замедляющая система (выполненная в виде спирали или специальной СВЧ периодической структуры).Именно на замедляющую систему подается подлежащий усилению сигнал, фазовая скорость которого замедляется до величины скорости электронного потока  e .Благодаря этому синхронизму происходит пространственное взаимодействиезамедленного электрического поля сигнала с электронным потоком, которое приправильно выбранных параметрах прибора обеспечивает отбор мощности полемсигнала от мощности электронного потока.

Фокусировка электронного пучкавдоль лампы обеспечивается системой постоянных магнитных шайб, периодически расположенных вдоль колбы, создающих радиальное магнитное поле.Механизм взаимодействия электронного потока с электрическим полемсложный и носит динамический характер. Тем не менее он к настоящему времени достаточно хорошо изучен, что позволило существенно улучшить важнейшие параметры применяемых ЛБВ, такие как к.п.д., выходную мощность,широкополосность, достижимые рабочие частоты.70Некоторые существенные параметры ЛБВ вытекают из вышеизложенныхпринципов работы. Так, выходная мощностьPвых  2cU 0 I 0 ,(4.1)где с – некая константа; U0 – максимальное напряжение ускоряющего электростатического поля; I0 – средний коллекторный ток, определяющий мощностькинетической энергии электронного потока.Для повышения ресурса и надежности ЛБВ необходимую мощность электронного потока стараются обеспечить за счет высоких напряжений U0, которые достигают от нескольких единиц до десятка кВ.

Благодаря уменьшеннойвеличине электронного потока I0 (являющегося термоэлектронным по природе),в ЛБВ и обеспечивается потенциально высокий ресурс, в отличие от другихэлектронных приборов (например, клистронов).Что касается коэффициента усиления ЛБВ, то в [12] показано, что его можнопредставить в видек=AN–L,где N lв(4.2)– количество длин волн, укладывающихся по всей длине замедляю-щей системы; А – постоянная, связанная с параметрами электронного потока,частотой и величиной электромагнитной связи поля с потоком; L – потери сигнала в замедляющей системе, зависящие от активных потерь в ней и уровня согласования с подводящим фидером.

Обычно N выбирается в пределах 1030.Потери в замедляющей системе 510 дБ, поэтому достигаемый коэффициентусиления 4050 дБ. Такое значение коэффициента усиления ЛБВ недостаточнодля многоствольных РТР с одним преобразованием. Выходной усилитель мощности должен иметь усиление порядка 90 дБ. Поэтому в современных усилителях мощности перед усилителем на ЛБВ устанавливают транзисторный усилитель мощности, играющий роль драйвера. На этом усилителе реализуются дополнительные функции, требуемые для эффективного использования его приэксплуатации, а именно регулировка усиления, функции автоматизированнойрегулировки усиления (АРУ), линеаризация характеристик ЛБВ.Следует отметить одну важную особенность ЛБВ, вытекающую из принципаее работы: часть мощности усиленного сигнала может отражаться от конечнойнагрузки из-за невозможности обеспечения хорошего согласования в диапазонерабочих частот и затем попадать на вход в виде обратной волны, создавая сигнал обратной связи.

Эта обратная связь при определенных фазовых условияхможет стать положительной и даже привести к самовозбуждению ЛБВ. Так какlчисло волн N на участке усиления ЛБВ велико, то необходимые фазовыевусловия могут легко выполниться. Для предотвращения этого явления в кон71струкцию ЛБВ вводят специальные поглотители или сами спирали изготавливают из материалов с высокой удельной проводимостью. Кроме того, вводятсяжесткие ограничения на согласование (КСВН) трактов, подключаемых к ЛБВ.Конечно, эти мероприятия снижают достижимый Км и к.п.д. ЛБВ, но необходимы для устойчивого функционирования.Относительно достижимого к.п.д., равного, по определению, отношениюмаксимальной выходной мощности к мощности потребления, показано, что,вообще говоря, максимальный к.п.д. повышается с увеличением тока I0 иуменьшением напряжения U0 и составляет теоретически у реальных ЛБВ 3035%.

Однако в современных ЛБВ реальный к.п.д. составляет ≥50%, преждевсего, за счет режима рекуперации, при котором отбор электронного потокаосуществляется несколькими коллекторами с напряжением ниже U0 (максимальное ускоряющее статическое напряжение – как правило, это положительное напряжение спирали по отношению к катоду). В таком режиме часть мощности постоянного тока, затраченная на ускорение электронов, возвращаетсяпри торможении электронов в электрическом поле коллектора. Кроме того, современные материалы позволяют уменьшить потери в замедляющих системах.Из механизма усиления ЛБВ вытекают его широкополосные свойства, поскольку сами замедляющие системы – спирали и эквивалентные им периодические структуры – широкополосны по природе.

Снижение коэффициентов усиления связано со следующими причинами:– с конечной широкополосностью согласующих устройств замедляющих систем с фидером;– увеличением длины волны  в на нижних частотах и уменьшением в связис этим величины N, что, согласно (4.2), приводит к снижению коэффициентаусиления;– снижением уровня высокочастотного поля сигнала вблизи оси на высокихчастотах, в связи с чем на этих частотах уменьшается взаимодействие электронного потока с волной сигнала.Несмотря на это, ЛБВ являются весьма широкополосными приборами (относительная ширина полосы по уровню 3 дБ может достигать 4050% по отношению к средней частоте диапазона).Важную роль в получении высоких ресурсных, надежностных характеристики стабильности рассмотренных выше параметров в ЛБВ играют источники вторичного питания ЛБВ. Для обеспечения стабильности выходной мощности икоэффициента усиления в течение длительного срока службы, составляющего всовременных РТР 1015 лет, важно прежде всего сохранить постоянство коллекторного тока I0, который по физической природе является термоэмиссионным и поэтому подвержен временной деградации.

Характеристики

Список файлов книги