DE1289140B - Amplifier with a run-time tube, in particular traveling field tubes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Verstärker mit einer Laufzeitröhre, insbesondere Wanderfeldröhre, bei der im Zuge der Eingangsleitung ein Zirkulator liegt, an dem an einen mittleren im Signalweg gelegenen Arm eine Phasenvorverzerrungseinrichtung angeschlossen ist, die von dem zu verstärkenden Signal in einer die Phasenverzerrung der Laufzeitröhre kompensierenden Weise gesteuert wird.The invention relates to an amplifier with a time-of-flight tube, in particular Traveling wave tube with a circulator in the course of the input line to which a phase predistortion device to a middle arm in the signal path is connected, the phase distortion of the signal to be amplified in a the delay tube is controlled in a compensating manner.

Ein solcher Verstärker ist in der Zeitschrift »NEC News«, Juli 1965, S. 3, aufgezeigt. Dieser bekannten Anordnung liegt das Problem zugrunde, daß die nutzbare Ausgangsleistung von Laufzeitröhren im allgemeinen durch die Bildung von Intermodulationsprodukten begrenzt ist. Dieser Intermodulation entsteht hauptsächlich durch eine aussteuerungsabhängige Phasendrehung, durch die sogenannte AM-PM-Umwandlung. Die Phasendifferenz zwischen Ausgangs- und Eingangsspannung nimmt näherungsweise mit der Ausgangsleistung zu. Im allgemeinen hat man versucht, die nutzbare Ausgangsleistung dadurch zu erhöhen, daß man die Phasendrehung durch bauliche Maßnahmen an der Laufzeitröhre selbst verringerte.Such an amplifier is in the magazine "NEC News", July 1965, P. 3, shown. This known arrangement is based on the problem that the usable output power of time-of-flight tubes in general through the formation of Intermodulation products is limited. This intermodulation mainly arises through a level-dependent phase shift, through the so-called AM-PM conversion. The phase difference between output and input voltage increases approximately with the output power. In general, attempts have been made to obtain the usable output power by increasing the phase rotation by structural measures on the transit time tube itself decreased.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine praktische und wirksame Phasenverzerrungseinrichtung zu schaffen, die es erlaubt, eine Laufzeitröhre stärker als bisher möglich auszusteuern, so daß der Wirkungsgrad erheblich gesteigert werden kann.The invention is based on the object of a practical and effective To create phase distortion device that allows a time tube to be stronger to be controlled as previously possible, so that the efficiency can be increased considerably can.

Zur Lösung dieser Aufgabe bei einem Verstärker der eingangs erwähnten Art wird vorgeschlagen, daß die Phasenvorverzerrungseinrichtung aus einer Kapazitätsdiode besteht, die den mittleren im Signalweg gelegenen Zirkulatorarm abschließt und der eine vom zu verstärkenden Signal über einen Richtkoppler ausgekoppelte, über einen Demodulator und einen Verstärker abgeleitete Steuerspannung zugeführt wird.To solve this problem with an amplifier of the type mentioned at the beginning Art is proposed that the phase predistortion device consists of a varactor diode consists, which closes the middle circulator arm located in the signal path and the one decoupled from the signal to be amplified via a directional coupler, via a Demodulator and an amplifier derived control voltage is supplied.

Man erreicht mit einer erfindungsgemäßen Anordnung, daß das zu verstärkende Signal im Rhythmus der Aussteueramplitude phasenmoduliert in den Eingang der Laufzeitröhre gelangt. Bei geeignetem Phasenhub und richtiger Polarität erreicht man eine weitgehende Kompensation der aussteuerungsabhängigen Phasendrehung der Laufzeitröhre. Damit verringert sich aber auch die Intermodulation, so daß die Laufzeitröhre unter Zugrundelegung gleicher Linearitätsforderungen stärker ausgesteuert werden kann.One achieves with an arrangement according to the invention that the to be reinforced Signal in the rhythm of the control amplitude phase-modulated into the input of the transit time tube got. With a suitable phase deviation and correct polarity, an extensive one can be achieved Compensation of the level-dependent phase shift of the transit time tube. In order to but the intermodulation is also reduced, so that the time-of-flight tube is taken as a basis the same linearity requirements can be controlled more strongly.

Eine wesentliche Schwierigkeit beim Auffinden der erfindungsgemäßen Lösung bestand darin, daß die Vorverzerrungseinrichtung extrem schnell steuerbar sein und eine zuverlässige Kompensation garantieren soll. Diese Forderung sollte mit einer möglichst einfachen Einrichtung erfüllt werden, damit bei den hohen Frequenzen; bei,.. denen eine Laufzeitröhre arbeitet, nicht andere Effekte, insbesondere zusätzliche Laufzeiteffekte, störend auftreten.A major difficulty in finding the inventive The solution was that the predistortion device could be controlled extremely quickly and should guarantee a reliable compensation. This requirement should be met with the simplest possible device, so at the high frequencies; with, .. where a transit time tube works, not other effects, especially additional ones Run-time effects, disturbing occur.

Die Erfindung stellt eine besonders günstige Lösung dieses Problems dar und ermöglicht es, den an sich schlechten Wirkungsgrad von Laufzeitröhren ohne bauliche Maßnahmen an der Laufzeitröhre selbst beträchtlich zu erhöhen.The invention provides a particularly favorable solution to this problem and allows the inherently poor efficiency of time-of-flight tubes without to considerably increase structural measures on the transit time tube itself.

Eine weitere Erhöhung des Wirkungsgrades kann man dadurch erreichen, daß die eventuell im Demodulator und Verstärker auftretenden Phasenverzerrungen dadurch ausgeglichen werden, daß man im Zuge des zu verstärkenden Signals, zwischen dem Richtkoppler und dem Zirkulator, eine Verzögerungsleitung,beispielsweise eineKoaxialkabelschleife, vorsieht, Die Verzögerungsleitung bildet die Laufzeiten des ausgekoppelten Signals im Demodulator und Verstärker -nach, so daß die Steuerung des Blind-Widerstandes synchron mit dem zu verstärkenden, am Blind-Widerstand reflektierten Signal erfolgt. Diese besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung führt zu einer Verbesserung des Wirkungsgrads einer Laufzeitröhre bis um den Faktor 3.A further increase in efficiency can be achieved by that the possibly occurring phase distortions in the demodulator and amplifier be compensated by the fact that in the course of the signal to be amplified, between the directional coupler and the circulator, a delay line such as a coaxial cable loop, provides, The delay line forms the delay times of the decoupled signal in the demodulator and amplifier -after, so that the control of the reactive resistance takes place synchronously with the signal to be amplified and reflected at the reactive resistor. This particularly advantageous development of the invention leads to an improvement the efficiency of a transit time tube up to a factor of 3.

An Hand eines in der Zeichnung dargestellten praktischen Ausführungsbeispiels soll die Erfindung näher erläutert werden. An einer Kapazitätsdiode 7 wird das zu verstärkende Signal, kurz Signal genannt, reflektiert. Das Signal gelangt über eine Verzögerungsleitung 1, die aus einem koaxialen Leitungsstück besteht, durch den Zirkulatorarm 3 in den Zirkulator 2, tritt durch den Zirkulatorarm 4 aus und wird an der Kapazitätsdiode 7, die den Abschluß eines Leitungsstücks 6 bildet, total reflektiert. Dann gelangt es über den Zirkulatorarm 4 in den Zirkulatorarm 5 und wird dem Eingang einer Wanderfeldröhre 13 zugeführt. Ein Teil des Signals wird vor der Verzögerungsleitung 1 über einen Richtkoppler 8 ausgekoppelt und in einem breitbandigen Demodulator 9 demoduliert und in einem breitbandigen Verstärker 10 verstärkt. Das so gewonnene Signal wird der Kapazitätsdiode 7 als Steuersignal zugeführt. Ein Kondensator 11 dient als Kurzschluß .für die Trägerfrequenz; eine Drossel 12 legt den Innenleiter des Leitungsstückes 6 für Gleichstrom an Masse, damit die Kapazitätsdiode 7 definiert vorgespannt werden kann.The invention will be explained in more detail using a practical embodiment shown in the drawing. The signal to be amplified, or signal for short, is reflected on a capacitance diode 7. The signal passes via a delay line 1, which consists of a coaxial line section, through the circulator arm 3 into the circulator 2, exits through the circulator arm 4 and is totally reflected at the capacitance diode 7, which forms the end of a line section 6. It then reaches the circulator arm 5 via the circulator arm 4 and is fed to the input of a traveling wave tube 13. A part of the signal is decoupled in front of the delay line 1 via a directional coupler 8 and demodulated in a broadband demodulator 9 and amplified in a broadband amplifier 10 . The signal obtained in this way is fed to the capacitance diode 7 as a control signal. A capacitor 11 serves as a short circuit .for the carrier frequency; a choke 12 connects the inner conductor of the line section 6 for direct current to ground so that the capacitance diode 7 can be biased in a defined manner.

Man wird die Kapazitätsdiode 7 sinnvollerweise in einem solchen Bereich ihrer Kennlinie steuern, in dem sich die Kapazität im wesentlichen linear mit der Steuerspannung ändert. Bei zu großer Kennlinienkrümmung würde das Signal zusätzlich durch Nichtlinearität der Kapazitätsdiode 7 verzerrt. Die im Rhythmus der Steuerung erfolgende Änderung des von der Kapazitätsdiode 7 gebildeten kapazitiven Abschlußwiderstandes des Leitungsstückes 6 bewirkt eine Änderung des Phasenwinkels zwischen der ankommenden und der an der Kapazitätsdiode 7 reflektierten und wieder in den Zirkulator 2 eintretenden Welle. Je größer die Kapazität ist, desto größer ist die Phasennacheilung der reflektierten Welle.The varactor diode 7 is sensibly in such an area control their characteristic curve, in which the capacitance is essentially linear with the Control voltage changes. If the characteristic curve is too large, the signal would also be distorted by the non-linearity of the varactor diode 7. The in the rhythm of the control resulting change in the capacitive terminating resistance formed by the capacitance diode 7 of the line piece 6 causes a change in the phase angle between the incoming and that reflected at the capacitance diode 7 and re-entering the circulator 2 Wave. The greater the capacitance, the greater the phase lag of the reflected Wave.

Die von der Wanderfeldröhre 13 verursachte aussteuerungsabhängigePhasenänderung entspricht einer Nacheilung der Ausgangsphase während der Aussteuerspitze gegenüber der Ausgangsphase bei kleinerer Aussteuerung. Zum Ausgleich dieser Aussteuerungsabhängigkeit muß die Phase des Eingangssignals so gesteuert werden, daß mit zunehmender Aussteuerung eine Phasenvoreilung in der Phasenvorverzerrungseinrichtung entsteht. Demnach muß die Abschlußkapazität des Leitungsstücks 6 während der Aussteuerspitze minimal sein. Der Arbeitspunkt der Kapazitätsdiode 7 muß so weit im Negativen liegen, daß sie von dem an ihr reflektierten Signal nicht in den Durchlaßbereich gesteuert werden kann. Beim Auftreten eines Diodenstroms würden untragbare Signalverzerrungen entstehen.The level-dependent phase change caused by the traveling wave tube 13 corresponds to a lag of the initial phase during the control peak compared to the output phase with lower modulation. To compensate for this level dependency the phase of the input signal must be controlled so that with increasing modulation a phase lead arises in the phase predistortion device. So must the termination capacitance of the line section 6 during the modulation peak must be minimal. The working point of the capacitance diode 7 must be so far in the negative that it are not steered into the pass band by the signal reflected on it can. The occurrence of a diode current would result in intolerable signal distortion.

Damit beim Ausgleich der Aussteuerungsabhängigkeit eine Intermodulation verschwindet, muß die Kompression der verwendeten Wanderfeldröhre 13 im betreffenden Arbeitspunkt hinreichend niedrig sein.Thus an intermodulation when compensating for the level dependency disappears, the compression of the traveling wave tube 13 used in the relevant Working point must be sufficiently low.

Der breitbandige Verstärker 10 muß das vom Demodulator 9 gelieferte Signal so weit verstärken, daß es zur Steuerung der Kapazitätsdiode 7 ausreicht. Die Gruppenlaufzeit des Verstärkers 10 muß niedrig sein. Der Abschlußwiderstand besteht im wesentlichen aus einer Kapazität von der Größe 100 bis 200 pF. Um bei einer derart frequenzabhängigen Belastung eine weitgehend amplituden-und phasengetreue Verstärkung zu erreichen, muß die Ausgangsimpedanz des Verstärkers 10 sehr niedrig sein.The broadband amplifier 10 must be from Demodulator 9 amplify the signal supplied so that it is used to control the capacitance diode 7 is sufficient. The group delay of the amplifier 10 must be low. The terminating resistor consists essentially of a capacitance of the size 100 to 200 pF. To at such a frequency-dependent load is largely true to the amplitude and phase To achieve gain, the output impedance of amplifier 10 must be very low be.

Zum Ausgleich der Phasendrehung, die im Verstärker 10 zwischen seinem Ein- und Ausgang und im Demodulator 9 entsteht, dient die Verzögerungsleitung 1. Sie besteht aus einem koaxialen Leitungsstück, dessen Länge so bemessen ist, daß es bei der höchsten übertragenen Frequenz die gleichen Phasendrehung bewirkt, wie der Verstärker 10 und der Demodulator 9 zusammen. Bei einem erprobten Ausführungsbeispiel betrug die Phasendrehung vom Demodulator 9 und Verstärker 10 bei einer Frequenz von 5,5 MHz ungefähr 20°, zu deren Ausgleich eine Verzögerungsleitung 1 aus einen in Schleifen gelegten, etwa 3 m langen 50-Ohm-Koaxialkabel verwendet wurde.To compensate for the phase shift that occurs in the amplifier 10 between his Input and output and arises in the demodulator 9, the delay line 1 is used. It consists of a coaxial line piece, the length of which is dimensioned so that it causes the same phase rotation at the highest transmitted frequency as the amplifier 10 and the demodulator 9 together. In a tried and tested embodiment was the phase shift from demodulator 9 and amplifier 10 at one frequency of 5.5 MHz approximately 20 °, to compensate for a delay line 1 from a 3 m long 50 ohm coaxial cable laid in loops was used.

Das koaxiale Leitungsstück 6 zwischen dem Zirkulatorarm 4 und der Kapazitätsdiode 7 ist nicht unbedingt nötig. Man kann den Zirkulatorarm 4 auch direkt mit der Kapazitätsdiode 7 abschließen. Das koaxiale Leitungsstück 6 ist nur deshalb vorgesehen, um von der räumlichen Anordnung des Zirkulators 2 unabhängig zu sein. Man könnte im übrigen dieses koaxiale Leitungsstück 6 so bemessen, daß es die Funktion der Verzögerungsleitung 1 übernimmt. In der Praxis ist jedoch eine vor dem Zirkulator 2 liegende Verzögerungsleitung vorzuziehen, weil dabei eine geringere Dämpfung des Signals auftritt. Vor dem Zirkulator 2 durchläuft das Signal nämlich nur einmal die Verzögerungsleitung 1, während das koaxiale Leitungsstück 6 zweimal vom Signal durchlaufen wird.The coaxial line section 6 between the circulator arm 4 and the capacitance diode 7 is not absolutely necessary. The circulator arm 4 can also be terminated directly with the capacitance diode 7. The coaxial line section 6 is only provided in order to be independent of the spatial arrangement of the circulator 2. In addition, this coaxial line section 6 could be dimensioned in such a way that it takes over the function of the delay line 1. In practice, however, a delay line in front of the circulator 2 is to be preferred because less attenuation of the signal occurs. In front of the circulator 2, the signal passes through the delay line 1 only once, while the signal passes through the coaxial line section 6 twice.

Insgesamt konnte bei dem erprobten Ausführungsbeispiel mit Hilfe der beschriebenen Phasenvorverzerrung eine Verbesserung des Wirkungsgrads der Wanderfeldröhre um den Faktor 3 erreicht werden.Overall, in the tested embodiment example, with the help of the phase predistortion described an improvement in the efficiency of the traveling wave tube can be achieved by a factor of 3.

Claims (2)

Patentansprüche: 1. Verstärker mit einer Laufzeitröhre, insbesondere Wanderfeldröhre, bei dem im Zuge der Eingangsleitung ein Zirkulator liegt, an dem an einen mittleren im Signalweg gelegenen Arm eine Phasenvorverzerrungseinrichtung angeschlossen ist, die von dem zu verstärkenden Signal in einer die Phasenverzerrung der Laufzeitröhre kompensierenden Weise gesteuert wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Phasenvorverzerrungseinrichtung aus einer Kapazitätsdiode (7) besteht, die den mittleren im Signalweg gelegenen Zirkulatorarm (4) abschließt und der eine vom zu verstärkenden Signal über einen Richtkoppler (8) ausgekoppelte, über einen Demodulator (9) und einen Verstärker (10) abgeleitete Steuerspannung zugeführt wird. Claims: 1. Amplifier with a time-of-flight tube, in particular traveling wave tube, in which there is a circulator in the course of the input line, to which a phase predistortion device is connected to a central arm in the signal path, which compensates for the phase distortion of the time-of-flight tube from the signal to be amplified is controlled, characterized in that the phase predistortion device consists of a capacitance diode (7) which closes off the central circulator arm (4) located in the signal path and the one coupled out of the signal to be amplified via a directional coupler (8), via a demodulator (9) and an amplifier (10) derived control voltage is supplied. 2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Richtkoppler (8) und dem Zirkulator (2) eine Verzögerungsleitung (1) geschaltet ist.2. Amplifier according to claim 1, characterized in that between a delay line (1) is connected to the directional coupler (8) and the circulator (2) is.