16.1.4. Шумы в электронных лампах

Сигнал на выходе электронной лампы никогда не является идеальной периодической волной: она всегда немного искажается случайными флюктуациями [250]. Этот шум может быть функцией как электронных процессов внутри лампы, так и свойств фильтров, входящих в сверхвысокочастотные цепи. Сигнал на выходе лампы обычно состоит из несущей, фонового шума и случайных боковых полос, возникающих в результате как амплитудной, так и частотной модуляции; все эти составляющие между собой могут быть скоррелированными или нескоррелированными. Например, обычно в электронных лампах возникают дробовой шум [219, 220, 375], шум распределения [14] и шумы, связанные с временем пролета электронов [121, 289].

Хорошо известно, что в выходных каскадах приемника шумы могут быть обусловлены смесителем или усилителем слабых сигналов, или тем и другим вместе. Такие шумы также могут создаваться генераторами на электронных лампах, входящими в состав оборудования СВЧ. Например, шум фона в электронных лампах обусловлен дискретной природой электронного потока и занимает широкую область частот. Если лампа соединена с резонатором, спектр такого шума изменяется по закону Шумы с широкой полосой на выходе гетеродина супергетеродинного приемника создают биения с несущей, производя боковые полосы на промежуточной частоте. Для типичного отражательного клистрона плотность мощности шума составляет при разделении от несущей частоты в Поскольку такая лампа генерирует мощность около уровень шума в полосе 1 гц будет приблизительно на 164 дб ниже уровня несущей. Если для смесителя приемника требуется мощность гетеродина то такая лампа также вносит шум .

Случайные флюктуации вблизи несущей частоты передатчика на электронных лампах также могут вносить шум в приемник [337]. Можно считать, что такие флюктуации возникают в результате одновременного существования боковых полос с чисто амплитудной и с чисто частотной модуляцией, с полной корреляцией, если та и другая вызываются одним и тем же событием, и с нулевой корреляцией, если это не так. Такой шум может быть обусловлен

явлением мерцания; это явление впервые наблюдалось Джонсоном [115], и Шотки [230] показал, что оно связано с работой выхода катода и имеет типичный спектр, изменяющийся по закону Шум, обусловленный явлением мерцания и другими причинами, например дрейфом и микрофонным эффектом, может оказаться большим, но его возможно уменьшить путем тщательного конструирования лампы, а также избегая систем, требующих детектирования на звуковой частоте сигналов.

Обычно рассматривались частотно-модулированный шум, имеющий значение на практике [264, 281], и частотная модуляция гауссовым шумом [166, 265].

Рис. 16. 3. Шумы частотной модуляции в генераторах: а — энергетические спектры сигнала модуляции; б - усиление фильтра по мощности и энергетический спектр смодулированной несущей.

Эти флюктуации можно уменьшить, если пропускать выходной сигнал генератора через узкополосный фильтр. Стюарт [257] показал, что благодаря этому первоначальный энергетический спектр показанный на рис. 16.3, а, умножается на низкочастотный эквивалент функции усиления по мощности фильтра так что нового энергетического спектра равны. Средний квадрат девиации модулированной несущей и эквивалентной ширины полосы шума уменьшается, таким образом, прямо пропорционально отношению полос спектров Фильтр вводит также амплитудные флюктуации благодаря непостоянству амплитудной и нелинейности фазовой характеристик и может воспроизводить негауссову частотную модуляцию. Энергетический спектр частотно-модулированной несущей узок и непрерывен, с шириной полосы по точкам с половинной мощностью, равной как показано на рис. Ширина полосы зависит только от интенсивности эквивалентного энергетического спектра модулирующего шума на нулевой частоте и вблизи от нее и она немного больше, чем полоса, связанная с временем фазовой корреляции несущей.

Пусть, например, модулируемый благодаря изменению реактивного сопротивления генератрр имеет резонансный контур с шириной полосы общего шума предположим, что при изменении

напряжения на сетке на 1 в частота генерации изменяется на Шум, приписываемый электронам, считается «белым», если ширина полосы превышает при этом шум лампы представляется сопротивлением включенным последовательно с сеткой. Средний квадрат обусловленного шумом отклонения частоты в половинной полосе определяется для выражением

Спектральная плотность шума на нулевой частоте модуляции составляет и, таким образом, ширина полосы энергетического спектра частотной модуляции по точкам с половинной мощностью равна

Если ом и гц, то гц и гц. Были также рассмотрены шумы частотной модуляции для специальных видов клистронов [15, 263] и магнетронов [258, 362]; в последних лампах высокочастотная цепь является широкополосной и типичные девиации шума составляют около