Галдецької А В, Корольов А Н ФГУП «НВП Исток» м Фрязіно, Росія, 141190 тел: 495-465-8620, e-mail: galdetskiy@mailru

Анотація – Розглянуто можливість підвищення посилення клістродов більш ніж на 10 дБ за рахунок використання двухзазорного вхідного резонатора з нерівними вч напруженнями в зазорах Запропоновано шляхи підвищення технічного ККД клістрода за рахунок використання взаємодії з двома гармоніками струму (клас F): або при роботі на двох модах вихідного резонатора або використовуючи додатковий резонатор, налаштований на Зю гармоніку Це дозволяє довести максимальний технічний ККД до 74% Аналізується можливість поліпшення лінійності приладу при подачі низькочастотного відеосигналу на вхід лампи (динамічному зміщенні)

I                                       Введення

Fig 1 Multibeam TV ЮТ manufactured at Istok

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

Рис 2 Схеми клістродов: а – традиційна, б-з підвищеним посиленням і лінійністю

Рис 1 Багатопроменевий телевізійний клістрод виробництва ФГУП «НВП Исток»

Клістроди (лампи з індукційним виходом – ЮТ) зарекомендували себе як прості, надійні, недорогі підсилювачі в діапазоні до 1 ГГц В даний час вони практично витіснили клістрони для потужних телевізійних передавачів і фактично стали загальноприйнятим стандартом завдяки збереженню високого ккд при зміні рівня вхідного сигналу [1, 2] Ця особливість змушує миритися навіть з їх невисоким посиленням (-20 ДБ), хоча вимушене підвищення посилення і потужності попереднього підсилювача ускладнює передавач і підвищує його вартість З моменту створення приладу тривають зусилля з підвищення його характеристик Так, використання многолучевой конструкції клістрода (Мал 1) дозволяє використовувати сітки невеликого діаметра (більше Формостійкість і технологічні) і дещо підняти посилення [2, 3]

При спільному посилення каналів звуку і зображення велике значення має лінійність приладу, яка залежить від сеточной ВАХ і насилу піддається оптимізації Використання лінеаріза-торів з предискаженіем дає результат, однак вимагає ретельної фазировки вч сигналу корекції, чого важко досягти на практиці

Можливе підвищення посилення і ккд за рахунок додаткових группирующих резонаторів (трістрон) [4, 5], проте це збільшує габарити і вартість приладу і ускладнює його перебудову Враховуючи цілодобовий режим роботи телевізійного передавача і високу споживану потужність, підвищення посилення і технічного ККД приладу все ще є актуальним і ключовим для його конкурентоспроможності

II                       Підвищення посилення

Традиційна схема включення клістрода показана на Рис 2а Через зазор вхідного резонатора проходить повний електронний вч струм лампи, який суттєво навантажує резонатор, що вимагає велику потужність вхідного сигналу У той же час якщо кут прольоту через зазор сітка-анод невеликий, то електронний потік здатний віддати в ньому значну частину введеної в нього вхідної потужності (що нерідко призводить до необхідності використання поглиначів в області анодного зазору) В [6-8] розглянуто роботу вхідного двухзазорного резонатора, з рівними і протівофазного вч напруженнями на зазорах так, щоб у другому зазорі рекуперировать частина вхідної потужності, і тим самим підвищити посилення приладу При повній рекуперації граничне посилення обмежується власної добротністю вхідного резонатора, однак, оскільки кут прольоту в зазорі сітка-анод зазвичай не занадто малий виграш у посиленні становить 3-5 дБ [7, 8]

Ми пропонуємо конструкцію (Мал 26), в якій додаткова індуктивність анодної частини резонатора давала можливість збільшити вч напруга в анодному зазорі в порівнянні з сітковим [9, 10] Змінюючи це співвідношення варіюванням індуктивності можна збільшувати посилення аж до самозбудження Фактично мова йде про управління гарячої добротністю вхідного резонатора для досягнення регенеративного посилення, і досяжне посилення обмежується лише необхідною смугою частот приладу Для типової для телевізійних клістродов величини Δί = 8ΜΓί (при вхідній зазорі 04 мм виграш в посиленні на частоті 800 МГц може перевищити 12 дБ

Слід підкреслити що даний ефект може бути отриманий без зміни вакуумної частини приладу – за рахунок зміни конструкції навісного вхідного резонатора Двоконтурна вхідна система дозволить ще більш підвищити посилення

III Використання поля вищих гармонік для підвищення ККД (клас F)

Характерною особливістю роботи клістрода в кпассе АВ, що відрізняє його від клистронов, є порівняно велика тривалість згустку струму, складова 03-05 періоду сигналу За цей час в традиційній конструкції клістрода гальмує полі в зазорі вихідного резонатора змінюється істотно, так що максимально гальмується середня частина згустку, а його початок і кінець віддають невелику частину енергії Це явище є основним механізмом, що обмежує ККД лампи Спроби зменшення тривалості згустку за рахунок додаткового, групують резонатора [4, 5, 8] (у тому числі налаштованого на другу гармоніку) приводили до збільшення довжини лампи і підвищенню вимог до фокусирующей магнітній системі Це, мабуть, не дозволила створити конкурентоспроможну промислову конструкцію

Ми розглядаємо іншу можливість підвищення однорідності енергоотбора від різних груп електронів: за рахунок формування у вихідний системі гальмуючого поля, яке містить вищі гармоніки і має форму близьку до меандру (рісЗ) [10] У простому випадку досить використовувати дві гармоніки Фактично такий Бігар-моніческій режим роботи вихідний секції кпіст-роду відповідає роботі транзисторних СВЧ підсилювачів в класі F

Фаза, радий

Рис 3 ВЧ напруга у вихідний системі, що містить першу і третю гармоніки

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

Неважко показати, що друга гармоніка струму має невідповідну фазу по відношенню до першої і не може бути використана для підвищення ККД, так що практично придатною для використання є третя гармоніка Одним із способів формування бігармонічного поля є застосування резонатора, що використовує дві моди, налаштовані на першу і третю гармоніки сигналу Інша можливість – використання двох вихідних резонаторів без труби дрейфу між ними (кластера), один з яких налаштований на третю гармоніку (Мал 4) Перевагою останнього способу є незалежність налаштувань на кожну з гармонік

У свою чергу можливо два шляхи використання двухчастотного режиму енергоотбора Відповідно до першого потрібно підвищити piQih вихідного резонатора на перший гармоніці на 20% і налаштуванням рзОзн на третій гармоніці домогтися колишньої амплітуди поля Спектр енергій електронів на вході в колектор показаний на Рис 5 ККД енергоотбора по першій гармоніці зростає з 64% до 74% (додатково 2% відбирається на Зй гармоніці)

Інший шлях не вимагає підвищення piQih вихідного резонатора (і супутнього звуження смуги частот) При незмінній амплітуді першої гармоніки, введення поля третьої гармоніки призводить зменшення амплітуди повного вч напруги на зазорі (і електронного ККД), але істотного поліпшення спектра електронів на вході в колектор (збільшення мінімальної швидкості Рис 5) Це дозволяє організувати одноступенчатую рекуперацію пучка в колекторі Електронний ККД залишається рівним 64%, але технічний зростає до 74% Додатковий резонатор може розташовуватися як до, так і після основного (Мал 4)

Рис 4 1 \ / 1ноголучевой кластер з резонаторів, налаштованих на першу і третю гармоніки

Fig 4 IViuitibeam duster of cavities tuned to fundamental and third harmonics Розглянуті можливості енергоотбора не тільки зменшують споживану потужність кпіст-роду, але і дозволяють істотно (в 16 рази) зменшити потужність, що розсіюється в колекторі, а значить послабити вимоги до системи охолодження

Рис 5 Спектр електронів по енергіях після вихідний секції

Fig 5 Electrons’ energy spectrum after output section

nf thR tiihf^

IV Підвищення лінійності клістрода

Унікальною особливістю клістрода є можливість модуляції струму пучка не тільки радіочастотним сигналом, але і низькочастотним (відео) сигналом Це дозволяє «підмішувати» до вч сигналу на сітці лампи модулирующий нч сигнал (Мал 2Ь) так, що їх інтермодуляційні компоненти можуть компенсувати продукти інтермодуляції вч компонент сигналу [9, 10] При цьому значною мірою ослабленими виявляються проблеми правильної фазування основного і додаткового сигналів Параметри лінеарізующего нч напруги залежать від використовуваного типу модуляції вч сигналу Ми розглянули ефект нч лінеаризації у разі амплітудної модуляції для клістрода в кпассе АВ (напруга запирання -180 В, напруга зміщення -150 В, струм спокою становить 7% максимального струму, амплітуда вч сигналу основного тону 100 В, амплітуда лінеарізующего нч сигналу 25 В) Типові залежності компонент вихідного сигналу кпістрода від рівня модуляції вхідного сигналу показані на Рис 6

Рис 6 Амплітуди компонент першого і третього

порядку в вихідному сигналі залежно від рівня модуляції з лінеаризацією і без неї Fig 6 Amplitudes of order and 3′ order components in output signal \ / s modulation level – with and without linearization

Вкажемо, що використання розглянутого механізму динамічного зміщення здатне збільшити і середній ККД лампи при посиленні реального телевізійного сигналу

Слід також зауважити, що спостережуване іноді підвищення нелінійних спотворень в кпістроде при виборі недостатньо низкоомной ланцюга зміщення сітки обумовлено детектированием лампою вхідного вч сигналу і включенням механізму, аналогічного описаному, проте з нч напругою на сітці в «неправильної» полярності

V                                   Висновок

за допомогою чисельного моделювання ми показали, що використання двухчастотного режиму відбору енергії у вихідний секції кпістрода дозволяє підвищити максимальний ККД кпістрода з 64% до 74% Вперше запропоновано використовувати для цієї мети кластер з резонаторів, налаштованих на першу і третю гармоніки сигналу

Двухзазорний вхідний резонатор з неоднаковими вч напруженнями в зазорах дозволяє підвищити посилення лампи більш ніж на 12 ЛБ

Застосування низькочастотної лінеаризації дає можливість на 10-12 дБ поліпшити лінійність лампи

VI                          Список літератури

[1] D Н Preist and М В Shrader The klystrode – an unusual transmitting tube with potential for UHF-TV Proc IEEE, vol70, pp1318-1325, Nov 1982

[2] Сушков A Д, Meoc BA, Федоров В A та ін Електронна лампа А с 1035677 СРСР Н01 21/18 Пріор 06061981 Бюл зобр № 30 1983

[3] А Н Корольов, С А Зайцев, М І Лопин та ін Багатопроменеві клістроди для телебачення й радарних застосувань Електронна техніка, сер Електроніка СВЧ,

№ 1 с5-7, 2003

[4] Сушков А Д, Федяев В К Розрахунок пакетування електронів в тріод-клістроні Изв ВНЗ, сер Радіоелектроніка № 11 с 1033-1043, 1967

[5] Nelson R В Beam tube with density plus velocity modulation US patent 4611149 HOI J25/00 Prior Nov Липень 1984

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

[7] Сушков A Д Електронне пакетувальне пристрій A с 247427 СРСР HOI 21/18 Пріор 25071968 Бюл зобр № 22 1969

[8] Сушков А Д, Меос В А Основні досягнення та напрямки розвитку клістродов Електронна техніка Сер4, 1992, випЗ, с17-20

[9] Галдецької А В, Корольов А Н Про можливості підвищення посилення і лінійності телевізійних клістродов

В кн: 15-я Міжнар Кримська конф «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології» (КриМіКо2005) Матеріали конф [Севастополь, 14-17 сент 2005 р] – Севастополь: Вебер, 2005, с 195-196

[10] Галдецької А В Перспективні методи підвищення ккд, посилення і лінійності клістродов Зимова школа з СВЧ електроніці 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@mailru

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 = 04 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 – 03-05 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 (Fig3) [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 (Fig4) 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 Fig5) 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 (Fig4)

The opportunities considered regarding efficiency increase not only reduce lOT power consumption but also make possible to essentially (in 16 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, vol70, pp1318-1325, Nov 1982

[2]  SushkovA D, Meos V A Fedorov V A etal Electron tube Patent USSR 1035677 H01 21/18 Prior 06061981 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, pp5-7

[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 25071968 Bui izobr 22 1969

[8]  Sushkov A D, Meos V A Main achievements and directions of development of IOTs Elektronnaia technika Ser4, 1992, V3, 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

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2006р