Опыт эксплуатации многолучевого клистода (истрона) в телевизионном передатчике "Ильмень"

Александр Королев, Михаил Лопин, Алексей Бакуменко, Тариэль Мишкин, Владимир Рыжов

От редакции. Обсуждение перевода российского телевидения на цифровое вещания перешло из теоретической в практическую плоскость.

Сделано самое главное — принят стандарт. Но нельзя забывать и о технической стороне проблемы, а именно — о передатчиках и элементах для них. Несмотря на все трудности последних лет, российские предприятия продолжают выпускать передающее оборудование. Есть и достойные разработки в области комплектующих для передатчиков. Доказательством может служить предмет рассмотрения настоящей стати. Хочется также отметить, что телевидение является важнейшим средством массовой информации, а значит — без преувеличения стратегически важной отраслью. Поэтому обеспечение телевещания отечественными техническими средствами также не может рассматриваться как второстепенная задача.

Краткие сведения об авторах

Александр Николаевич Королев является генеральным директором ФГУП «НПП „Исток“». Он доктор технических наук, имеет большой опыт в сфере электроники СВЧ.

Михаил Иванович Лопин является главным конструктором «Истрона» и работает начальником отдела приборов СВЧ фирмы«Исток». Имеет степень доктора технических наук и звание заслуженного конструктора РФ.

Алексей Викторович Бакуменко — также доктор технических наук. Он помощник генерального директора «Истока»по маркетингу, имеет богатый опыт в сфере электроники СВЧ.

Тариэль Ахметович Мишкин работает начальником сектора приборов СВЧ, имеет степень кандидата технических наук и является заместителем главного конструктора «Истрона».

Владимир Алексеевич Рыжов — начальник сектора испытаний приборов СВЧ, заместитель главного конструктора «Истрона».

В настоящей статье рассматриваются результаты работы по введению усилительной цепочки приборов СВЧ с мощным многолучевым клистродом (истроном), разработанным в ФГУП «НПП „Исток“», в телевизионный передатчик «Ильмень-1». Работы проводились в ФГУП «НПП „Исток“» и в РТПЦ Волоколамска (Московская область) по согласованию с Московским региональным центром — филиалом ФГУП «РТРС».

Проведены исследования и эксплуатация истрона в режимах:

• раздельного усиления сигналов изображения и звука (Волоколамский РТПЦ, 2003-2004 гг.);
• совместного усиления сигналов изображения и звука (Волоколамский РТПЦ, 2005-2006 гг.);
• передачи цифрового телевизионного сигнала СOFDM стандарта DVB-T (ФГУП «НПП „Исток“» совместно с ОАО «Телеком», 2004 г.).

Промышленные образцы усилительных клистродов, больше известные на Западе как IOT, появились в начале 1990-х годов в качестве мощных усилителей в телевизионных передатчиках дециметрового диапазона. IOT достаточно быстро заняли эту производственную нишу, вытеснив из передатчиков традиционные усилительные клистроны. Столь быстрый успех клистродов объясняется такими их достоинствами, как высокий КПД, хорошая линейность характеристик сигналов в широком диапазоне изменений амплитуды входного сигнала. Малая электрическая длина клистродов обеспечивает фазовую стабильность сигналов при пульсациях ускоряющего напряжения.

В России разработчики клистродов находились в менее выгодных условиях, чем производители клистродов на Западе. Дело в том, что для клистродов фирм EEV, Varian, Thomson специально разрабатывались телевизионные передатчики такими фирмами, как Haris, Comark и др. В России происходит все несколько иначе. Разработчики клистродов пытаются внедрить свою продукцию в существующие телевизионные передатчики, такие как «Ильмень», работающие на устаревших клистронах и в устаревших режимах раздельного усиления сигналов изображения и звука.

Специалисты компании «Исток», основываясь на более чем 35-летнем опыте разработок многолучевых клистронов и ЛБВ (лампа бегущей волны), создали новую оригинальную конструкцию клистрода — 18-лучевой мощный усилительный клистрод с фирменным названием «Истрон».

В 2002 году была закончена разработка промышленного образца многолучевого клистрода (истрона) выходной мощностью 20 кВт с воздушным охлаждением коллектора с целью его возможного использования в отечественном телевизионном передатчике дециметрового диапазона «Ильмень». Клистрод разрабатывался на базе ранее созданного специалистами компании истрона с жидкостным охлаждением коллектора; его выходная импульсная мощность составляла 60 кВт.

В начале 2003 года была достигнута договоренность с Московским региональным центром (филиал ФГУП «РТРС») об опытной эксплуатации истрона в телевизионном передатчике «Ильмень» Волоколамского РТПЦ.

На рис. 1 представлена блок-схема передатчика «Ильмень». Усилительные цепочки передатчика состоят из телевизионного возбудителя, ЛБВ предварительного усиления УВ-304 и усилительного клистрона КУ-318.

Рис. 1. Блок-схема усилительных каналов передатчика «Ильмень»

Выходная мощность цепочки в режиме передачи синхроимпульса составляет 10 кВт. Выходная мощность 20 кВт достигается путем сложения мощностей двух цепочек. Аналогичная по составу цепочка 3 работает на усиление звукового сигнала с уровнем мощности 1 кВт. При этом клистрон 3 функционирует в облегченном режиме по выходной мощности.

Введение истрона в штатный передатчик дает два существенных преимущества. Во-первых, две усилительные цепочки заменяются одной. Один истрон обеспечивает требуемую мощность 20 кВт. Во-вторых, КПД истрона более чем в два раза выше КПД клистрона КУ-318, что приводит к экономии потребляемой передатчиком электроэнергии в два раза.

При стыковке истрона с передатчиком «Ильмень» были проделаны следующие виды работ:

• внесены конструктивные изменения в первый шкаф передатчика;
• изменена электрическая схема для питания истрона;
• изменены входные СВЧ-элементы для подачи оптимального входного сигнала.

Рис. 2. Усилительная цепочка передатчика на истроне

Рис. 3. Истрон в шкафу серийного передатчика

При этом передатчик претерпел ряд характерных изменений, что иллюстрируется на рис. 2. в частности, была проведена замена ЛБВ предварительного усиления на специальный транзисторный усилитель с выходной линейной характеристикой при уровне мощности 300 Вт производства фирмы «МАРТ» (Санкт-Петербург), изменена первичная обмотка анодного трансформатора штатного высоковольтного источника питания передатчика. В апреле 2003 года специалисты компании «Исток» закончили монтаж истрона в шкафах серийного передатчика и провели подготовку схем питания и управления к включению истрона в режиме раздельного усиления сигналов изображения и звука (рис. 3).

Трансляция в эфир телевизионной программы была начата на истроне с раздельным усилением сигналов 19 мая 2003 года. В этом режиме лампа отработала 6848 ч. 19 ноября 2003 года в ТТЦ «Останкино» состоялось совместное заседание двух секций научно-технического совета (НТС), касавшееся проблем телевидения и телекоммуникаций, а также вопросов радиовещания. На заседании были приняты следующие предложения:

• проведенные работы и полученные результаты по переводу телевизионного передатчика «Ильмень» в режим работы «истрон — видео; клистрон — звук» признать положительными. Было отмечено, что потребление электроэнергии видеотракта при введении истрона снизилось с 99 до 48 кВт;
• рекомендовать техническому руководству МРЦ продолжить работы по модернизации передатчика «Ильмень», для чего на первом этапе приобрести возбудитель, формирующий сигнал для совместного усиления изображения и звука, чтобы исследовать возможность работы истрона в режиме совместного усиления, а в дальнейшем перевести передатчик «Ильмень» в режим работы двумя истронами по схеме совместного усиления сигналов изображения и звука (рис. 4).

Рис. 4. Блок-схема совместного усиления по схеме «20+2 кВт» на основе модернизации передатчика «Ильмень»

Следует отметить, что в начале эксплуатации истрона в промышленном передатчике строгих измерений специальных телевизионных параметров сигнала не проводилось, контролировались только выходная мощность и амплитудно-частотная характеристика. Качество сигнала проверялось визуально по изображению транслируемой телевизионной программы на экранах контрольных телевизоров в телевизионном центре. Протокольно было отмечено, что «качество сигнала удовлетворительное».

К моменту наработки истрона 6000 ч была подготовлена соответствующая аппаратура и проведены измерения специальных параметров сигнала, излучаемого передатчиком (рис. 5).

Дальнейшая работа с истроном заключалась в том, что выполнялись монтаж и наладка схемы передатчика, обеспечивающей совместное усиление сигналов изображения и звука одной усилительной цепочкой. Одно-временно шла работа над параметрами по пунктам 9, 10, 12, 13 (табл. на рис. 5а) с целью приведения их в соответствие с требованиями ПТЭ.

Рис. 5. Фрагмент протокола измерений (а), АЧХ истрона в контрольном трафарете (б) и контрольные параметры импульсного сигнала истрона (в)

Работа истрона в режиме совместного усиления

Подготовительная работа к режиму совместного усиления включала:

• приобретение телевизионного возбудителя входного сигнала для режима совместного усиления;
• отработку параметров комплекса «ТВ возбудитель — транзисторный усилитель» в режиме совместного усиления;
• отработку блоков питания и управления передатчика, замену устаревшего электромонтажа;
• разработку новой схемы питания истрона с раздельной подачей энергии на корпус и коллектор (рис. 6).

Рис. 6. Блок-схема высоковольтного питания истрона в режиме совместного усиления

Разработанная схема питания дала очень хорошие результаты по устранению паразитных наводок на сигнал и снижению пульсаций. Однако появились частые высоковольтные пробои.

Исследования показали, что пробои возникают вследствие возникновения переменной разности потенциалов между корпусом и коллектором истрона (от 1500 В при нормальной работе истрона до нескольких киловольт при аварийных просадках напряжения первичной сети питания). По этой причине истрон вышел из строя после наработки 6848 часов в процессе отработки режима совместного усиления. В процессе отработки схем электропитания и защиты были повреждены три истрона. Радикально устранить пробои удалось только к концу 2005 года.

Анализ причин превышения норм по нелинейным искажениям сигнала показал, что необходимо улучшить геометрию многолучевого катода истрона и электронной пушки в целом, чтобы устранить неравномерность запирания парциальных катодов с целью сокращения участка нелинейности анодно-сеточной характеристики истрона.

Принцип работы истрона поясняет рис. 7. При отсутствии СВЧ-сигнала ток в истроне отсутствует вследствие отрицательного смещения на сетке. При подаче СВЧ-сигнала между сеткой и катодом появляется переменное напряжение, периодически открывающее прохождение тока на коллектор. В случае идеальной характеристики «а — с» коэффициент усиления не зависит от амплитуды входного сигнала. Однако реальная характеристика «а — с» приводит к неравномерности усиления и определяет в решающей степени нелинейность выходной характеристики истрона.

Рис. 7. Анодно-сеточная характеристика, ВЧ-сигнал и временные эпюры тока (класс В)

На рис. 8 показан принцип формирования тока 18-лучевого истрона. Малая величина напряжения запирания, характерная для запирания тока единичного парциального катода, остается неизменной и для суммарного тока, что обеспечивает более высокий коэффициент усиления многолучевого клистрода по отношению к однолучевой конструкции на тот же ток. Это несомненное достоинство.

Рис. 8. Схема катодно-сеточного узла 18-лучевого истрона

Однако реализация преимуществ многолучевой конструкции требует строгого соблюдения допусков на геометрические размеры парциальных катодов и сеток катодно-сеточного узла. Неточность изготовления приводит к возрастанию нелинейного участка анодно-сеточной характеристики. При этом нелинейность возрастает в области малых амплитуд входного сигнала и, соответственно, в этой области уменьшается коэффициент усиления. Ситуацию можно улучшить введением предкоррекции усиления в задающих каскадах, например в блоке транзисторного усилителя. В устройстве компании «Исток» такая коррекция не была предусмотрена, но она может быть реализована в дальнейшем в качестве дополнительного резерва улучшения линейности.

Экспериментальные работы по монтажу и отработке схем электропитания, защиты, стыковке истрона с аппаратурой передатчика проводились совместно с сотрудниками Волоколамского РТПЦ в сложных условиях, в основном в ночное время в перерывах трансляции телевизионных программ и во время регламентных работ. В апреле 2006 года работы по подготовке режима совместного усиления сигналов изображения и звука цепочкой приборов «возбудитель ТВ — транзисторный усилитель — истрон» в передатчике «Ильмень» были завершены.

В условиях дефицита ресурсов (работы проводились фактически за счет внутренних резервов) в апреле 2006 года был изготовлен контрольный образец многолучевого истрона. Трансляция телевизионных программ через эту лампу в режиме совместного усиления на 21 канале началась 15 мая 2006 года и продолжается по настоящее время. Следует отметить одну интересную положительную закономерность, обнаруженную в процессе эксплуатации. В соответствии с существующими нормативными документами измерение качественных показателей телевизионного сигнала проводится в режиме раздельного усиления видеосигнала и звука, так как телевизионные передатчики «Ильмень» в СССР и в России работали и работают в режиме раздельного усиления.

При измерении этих показателей в реальном телевизионном сигнале, обеспечиваемом истроном в режиме совместного усиления, предельные параметры приходят в норму (рис. 9). Это можно объяснить тем, что в режиме совместного усиления добавляется дополнительный сигнал звукового сопровождения. В результате эффективное значение суммарного напряжения сигналов на сетке увеличивается, что сдвигает процесс формирования выходного сигнала в сторону больших амплитуд, то есть более равномерных величин коэффициента усиления.

Рис 9. Фрагмент протокола измерений сравнительных параметров качества для передатчика «Ильмень», работающего на 21 ТВК

Конечно, такой эффект становится заметен, когда нелинейность анодно-сеточной характеристики близка к требуемой, что и имеет место в истроне.

Режим усиления цифрового телевизионного сигнала

Исследования работы клистрода в качестве усилителя цифрового телевизионного сигнала были проведены в США и Англии. В частности, фирма EEV в 1998 году провела большую экспериментальную работу. При этом был сделан однозначный вывод о перспективности такого выбора. Он был основан на успешном опыте работы клистродов в нескольких цифровых передатчиках в США и на результатах экспериментальной работы, проведенной фирмой EEV, при известных требованиях к усилительной системе, а именно:

• любая усилительная система, используемая в цифровом телевизионном передатчике, должна характеризоваться большим динамическим диапазоном, в частности, иметь высокое отношение пиковой мощности к средней ее величине. Клистроды в силу механизма своей работы наиболее оптимально отвечают этому требованию;
• возможности усилителя по уровню средней мощности должны превышать номинальную среднюю цифровую мощность передатчика;
• усилитель должен быть способен выдерживать кратковременные мощные сигналы переходных процессов. Значительное ограничение этих переходных сигналов приводит к увеличению уровня интермодуляционных продуктов и уровню ошибок в единицах информации;
• нелинейность передаточной характеристики усилителя должна быть достаточно малой, чтобы результирующие влияния на цифровой сигнал могли быть компенсированы с помощью цепей предварительной коррекции передатчика.

По согласованию с ОАО «Телеком» специалистами этой организации были проведены испытания истрона в режиме передачи цифрового телевизионного сигнала COFDM стандарта DVB-T при выходной непрерывной мощности 4…5 кВт. При этом максимальная импульсная мощность истрона составляла 20…25 кВт.

Результаты испытаний истрона в режиме передачи цифрового телевизионного сигнала COFDM стандарта DVB-T
Модуляция	Скорость кода	Значение несущая/шум, необходимое для порогового значения BER, дБ		Измеренное значение BER	Уровень потерь, дБ
		норма для QEF=2x10-4	измеоенное
OPSK	7/8	7,7	8	2x10-4	0,3
16-QAM	1/2	8,8	10	2x10-4	1,2
16-QAM	3/4	12,5	14	2x10-4	1,5
16-QAM*	7/8	13,9	-	2,3x10-3*	-
64-QAM	1/2	14,4	-	5,0x10-4	-
64-QAM*	2/3	16,5	-	2,1x10-3*	-
64-QAM*	3/4	18,0	-	-	-
64-QAM*	5/6	19,3	-	-	-
64-QAM*	7/8	20,1	-	-	-
* В данном режиме устойчивая работа не обеспечивается из-за высокого уровня фазовых шумов и недостаточной стабильности гетеродинных трактов ТВ-передатчика, а также из-за высокого уровня фазовых шумов предварительного усилителя.

Цифровой сигнал содержал 8 тыс. частот, на каждой поднесущей происходит дополнительная модуляция. Расстояние между поднесущими — 1 кГц (в полосе 7,2 МГц). Сигналы подавались последовательно на трех типах кодов. Коды отличаются скоростью передачи сигналов, причем каждый код разделен еще на несколько подгрупп (1/2, 3/4, 7/8). Наиболее легкий код QPSK соответствует скорости передачи порядка 6 Мбит/с. Соответственно, 16-QAM предполагает скорость передачи 8…10 Мбит/с; 64-QAM — порядка 32 Мбит/с. В условиях города разрешается передача со скоростью не больше 10 Мбит/с.

Истрон уверенно выдержал передачу на кодах QPSK, 16-QAM (1/2,3/4). Лампа провела захват сигнала на коде 64-QAM (1/2), однако с превышением качественного показателя в 2,5 раза.

Результаты проведенных испытаний позволили ОАО «Телеком» сделать следующие выводы:

• характеристики линейности усилительного прибора «Истрон» при средней непрерывной мощности 4 кВт в части допустимого уровня потерь отношения сигнал/шум обеспечивают выполнение требований «Временных норм на цифровое передающее оборудование наземного телевизионного вещания для целей планирования сетей», утвержденных 14.02.2002 г. Минсвязи России;
• для обеспечения работы цифрового ТВ-передатчика на основе прибора «Истрон» во всех режимах работы, предусмотренных стандартом DVB-T, целесообразна доработка предварительного усилителя и источника питания.

Заключение

Итоги проведенной в течение трех лет совместно с МРЦ работы можно сформулировать следующим образом:

• в режиме совместного усиления сигналов изображения и звука истрон готов для промышленного использования в модернизированных отечественных телевизионных передатчиках «Ильмень» после проведения необходимых монтажных и пусконаладочных работ в электрической схеме и шкафах передатчика;
• вопрос промышленного производства истронов и усилительных цепочек на их основе с целью замены устаревших технических решений «ЛБВ — клистрон» на «транзисторный усилитель — истрон» является отдельной проблемой и требует финансирования на договорной основе с РТРС;
• успешные испытания истрона в режиме цифровой передачи телевизионного сигнала с высоким уровнем непрерывной мощности открывают прямую возможность создания отечественного мощного телевизионного передатчика, обеспечивающего передачи как в цифровом, так и в аналоговом режиме. Для перевода передатчика из аналогового режима в цифровой необходимо провести замену только задающей части усилительной цепочки с соответствующим набором команд управления. Это свойство истрона открывает дополнительную и заманчивую перспективу на недалекое будущее, связанное с передачей цифрового ТВ-сигнала.