МНОГОЛУЧЕВАЯ КОМПАКТНАЯ ЛБВ W-ДИАПАЗОНА

May 17, 2012 by admin Комментировать »

Маринин А. В., Румянцев С. А. Федеральное государственное унитарное предприятие «НПП Исток» 141190, Московская область, г. Фрязино, Вокзальная 2а, Россия Fax (095)9749013: e-mail: istkor@elnet.msk.ru

Аннотация – Рассмотрены основные принципы построения компактных многолучевых ЛБВ W-диапазона мощностью 10-50 Вт. Предложены и исследованы конструкции замедляющей системы (ЗС), согласующих устройств, многолучевой электронно-оптической системы (МЭОС) для ЛБВ мощностью 20 Вт.

I.  Введение

В последние годы заметно возрос интерес к W- диапазону (75 -110 ГГц). Компактный усилительный прибор этого диапазона мощностью 10-50 Вт может найти широкое применение в системах высокоточной радиолокации, связи, радиовидения.

В настоящей работе предложена и подробно исследована конструкция ЛБВ W-диапазона мощностью 20 Вт построенной на модифицированной ЗС встречно-штыревого типа.

II.  Основная часть

ЛБВ W-диапазона созданные и разрабатываемые в настоящее время построены на ЗС спирального типа [1], цепочке связанных резонаторов (ЦСР) [2], петляющем волноводе [3]. Однако однолучевая схема ЭОС с каналом диаметром 0.2-0.3 мм ограничивает рабочий ток и вынуждает использовать высокие напряжения (9-20 кВ). Применение МЭОС позволяет снизить напряжение до 3-5 кВ, уменьшить габариты и массу прибора. МЭОС традиционного типа с компактным расположением каналов круглого сечения для рассматриваемого диапазона нетехнологична. Более перспективным представляется построение ЛБВ на МЭОС с ленточными электронными потоками.

На рис. 1 приведена конструкция модифицированной ЗС встречно-штыревого типа, спроектированной для многолучевой ЛБВ. Расчет показывает, что усиление 30 дБ и выходная мощность 20 Вт в такой ЛБВ могут быть достигнуты при длине ЗС 12 мм. Амплитуда магнитного поля, необходимого для транспортировки многолучевого ленточного электронного потока составляет 0.5-0.6 Тл. Межполюс- ный зазор магнита с учетом неэкранированной электронной пушки составляет 18-20 мм, а масса магнитной системы 700-1000 г.

В таблице 1 приведены основные параметры спроектированной ЛБВ и ее аналогов.

III.  Заключение

Создание низковольтной малогабаритной ЛБВ W- диапазона может стать ключом к созданию нового поколения аппаратуры этого диапазона.

Рис. 1. Замедляющая система. Fig. 1. Slow wave system.

Таблица 1.

Прибор

Предлагаемая

ЛБВ

ЛБВ [3]

Мощность, Вт

20

10

Напряжение, В

3500

9000

Общий ток, А

0,05

0,028

Полоса, ГГц

1

5

Число лучей

3 ленточных

1

Усиление

30 дБ

30 дБ

Масса магнита, г

700-1000

VI. Список литературы

[1] J. A. Dayton др. IVEC-2004 рр 84-85.

[2] Каталог Hughes.

[3] С. L. Cory др. IVEC-2004 рр 88-89.

W-RANGE COMPACT MULTIBEAM TWT

Marinin A. V., Rumyantsev S. A.

FSUE “RPC Istok"

Vokzalnaja 2a, 141190, Fryazino,

Moscow region, Russia Fax (095)9749013: e-mail: istkor@elnet.msk.ru

Abstract – The project of compact multibeam W-range TWT is presented. Main advantages of multibeam TWT design are discussed.

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ СПИРАЛЬНЫЕ ЗАМЕДЛЯЮЩИЕ СИСТЕМЫ С АЛМАЗНЫМ ТЕПЛООТВОДОМ ДЛЯ МОЩНЫХ ЛБВ

Галдецкий А. В. ФГУП «НПП Исток» Вокзальная ул. д. 2а, Фрязино – 141190, Россия Тел.: +7(095) 465-8620; e-mail: galdetskiy@mail.ru

Аннотация – Предложена новая конструкция спиральной замедляющей системы, сочетающая отличную теплоотводящую способность с высоким сопротивлением связи в широкой полосе частот.

I.       Введение

Спиральные замедляющие системы (СЗС) являются первым и одним из самых распространенных типов замедляющих систем ЛБВ. Они имеют большое сопротивление связи и очень широкую рабочую полосу частот. При этом поперечные размеры СЗС оказываются заметно меньше чем у других типов замедляющих систем, что приводит к заметному сокращению габаритов и веса магнитной системы и всей лампы в целом. Указанные свойства привели к широкому использованию СЗС в спутниковых ЛБВ и многих наземных системах связи. Одним из серьезных недостатков традиционной СЗС является ее низкая теплоотводящая способность, ограничивающая выходную мощность прибора в целом. Попытки улучшения теплопроводности СЗС путем использования паяных спиралей или использования опорных стержней из окиси бериллия или алмаза приводили к существенному усложнению технологии и увеличению стоимости прибора. Кроме того результирующий эффект оказывался меньше ожидаемого. Для опорных стержней из алмаза это связано, в частности, с малой площадью и большим тепловым сопротивлением области контакта спирали с опорой. В работе предложены новая конструкция и технология изготовления СЗС с использованием CVD алмаза.

II.      Конструкция и способ изготовления

Fig. 1. Design of a helix Sl/l/S with a diamond heat sink

Рис. 1. Конструкция СЗС с алмазным теплоотводом.

Проводник спирали наматывается на оправку со спиральной канавкой. Затем на эту конструкцию наращивается CVD алмаз по обычной технологии. И наконец оправка стравливается травителем. Получившаяся СЗС показана на Рис. 1.

Она имеет три основные особенности, определяющие ее тепловые и электродинамические характеристики:

•    Контакт между спиралью и теплоотводом существует не в трех площадках, а по всему периметру спирали.

•    Благодаря выращиванию алмаза непосредственно на поверхности спирали достигается идеальный тепловой контакт между ними. Теплопроводность алмаза очень высока.

•    Требуется вырастить тонкий слой алмаза (-50 мкм) даже при большой разнице радиусов спирали и экрана, что удобно технологически из-за низкой скорости роста алмаза.

III.    Характеристики СЗС

Мы сопоставили расчетные электродинамические и тепловые характеристики предложенной СЗС с параметрами ЦСР, а также традиционных СЗС со стержнями из нитрида бора и алмаза. Все замедляющие системы имели диаметр канала 1.3 мм, диаметр оболочки 3.2 мм (у ЦСР – 8 мм) и проводник спирали с сечением 0.3×0.2 мм и шагом 0.7 мм. Параметры показаны в табл.________________

Обычные опоры

Спиральная опора из алмаза

ЦСР

NB

ВеО

Алмаз

Сопротивление связи, Ом

16

15

15.5

29

6

Тепловое сопротивление на период ЗС, °С/Вт

64

48.8

17

2.8

3.5

Предел погонной мощности рассеяния (АТ = 200°С), Вт/мм

4.5

5.1

16.8

102

57

Предел погонной мощности отвода от корпуса (при Ррас = 500 Вт/см2) Вт/мм

50

120

Отсюда можно сделать следующие выводы:

•    рассмотренная зам. система не является ограничивающим фактором для средней мощности ЛБВ – предел ставит теплоотвод от корпуса лампы

•    предложенная СЗС по всем характеристикам превосходит параметры однолучевой ЦСР.

Сравнение характеристик рассмотренной и новых зарубежных СЗС [1, 2] также показало преимущество предложенного решения.

IV.    Заключение

Преимущества предложенной ЗС базируются на:

•        Высокой теплопроводности алмаза

•        Заведомо надежном тепловом контакте спирали и диэлектрика

•        Большой площади контакта со спиралью – теплоотвод на порядок выше чем в ЗС с опорами и выше чем для ЦСР

•        Сопротивление связи больше, чем у ЗС с опорами благодаря малой диэлектрической нагрузке

•         Полоса частот типичная для спиральной ЗС (до октавы и выше)

• Надежность при первом включении

•       Компактность и малый вес, технологичность Предложенная конструкция СЗС фактически определяет новый класс ЛБВ. Имея допустимую среднюю мощность выше, чем у однолучевых ЛБВ на ЦСР, а полосу и сопротивление связи выше, чем у традиционных спиральных ламп, такие лампы способны вытеснить однолучевые ЛБВ на ЦСР из большинства областей применения последних в миллиметровом и коротковолновой части сантиметрового диапазонов:

•       ЛБВ для радиопротиводействия

•Связные спутниковые ЛБВ

•Мощные миллиметровые ЛБВ

и существенно повысить уровень параметров этих систем.

V.      Список литературы

[1]  J. A. Dayton, Jr. G. Т. Mearini, Н. Chen. Diamond studded TWT. Proc. of 5th International vacuum electronics conference IVEC-2004, April 27-29, 2004, p.84-86.

[2]  C. Kory, L. Ives, M. Read et ai Novel TWT interaction circuits for high frequency applications. Proc. of 5th International vacuum electronics conference IVEC-2004, April 27- 29, 2004, p.51-52.

GROUNDBREAKING HELIX SLOW-WAVE STRUCTURES WITH DIAMOND HEAT SINKS FOR POWER TWTs

Galdetskiy A. V.

‘RPC Istok’ Federal State-Owned Unitary Enterprise,

2a Vokzalnaya St., Fryazino,

Moscow Region, Russia, 141190 phone: +7 (095) 4658620, e-mail: galdetskiy@mail.ru

Abstract – A new design of helical slow-wave structures is proposed offering excellent thermal properties and high interaction impedance over extensive bandwidths.

I.  Introduction

The helical slow-wave structure (HSWS) is the pioneering and prevailing type of slow-wave structures for traveling-wave tubes. It has a large interaction impedance over extensive bandwidths; its cross-section is significantly narrower compared to other SWS types, which results in decreased dimensions and weight of magnetic systems and tubes as a whole. These features have brought about widespread use of HSWS in satellite TWTs and numerous terrestrial communications systems. One of serious drawbacks found in conventional HSWSs is their low heat removal which limits tube output power. Attempts at improving heat removal by employing soldered helixes or support rods made of beryllium oxide or diamonds usually resulted in considerably complicated production processes and higher costs. Apart from that, the net effect was less than expected. For diamond support rods this is due in particular to the small surface and large thermal resistance in the area of helix contact with the rod. We propose new design and technology for manufacturing HSWS employing CVD diamonds.

II.  Design and manufacture technology

The wire is wound on a mandrel having a helical groove. A CVD diamond is subsequently grown on the structure, following

which the mandrel is etched by a selective etchant. The final structure is shown in Fig. 1.

It has three principal features that determine its thermal and electrodynamic properties:

•    Thermal contact between helix and heat sink exists not merely across three planes but over the whole helix perimeter.

•    Because of a CVD diamond grown directly on the helix surface a perfect thermal contact is achieved, since diamonds are noted for their high thermal conductivity.

•   A thin diamond layer (~50|jm) may be grown even for quite different radii of helix and casing, which is technologically convenient because of the low growth velocity of CVD diamonds.

III.  HSWS features

We have compared calculated thermal and electrical properties of proposed HSWSs to those of coupled-cavity SWSs and conventional HSWSs with support rods made of boron nitride and diamond. All SWSs have a channel diameter of 1,3mm, casing diameter of 3.2mm (8mm with coupled-cavity SWSs), helix pitch of 0.7mm and conductor cross-section of 0.3×0.2mm. The obtained data is summarized in the table below.

Support rods

Helical diamond support

Cou

pled

cavity

NB

BeO

Dia

mond

Interaction impedance, 0

16

15

15.5

29

6

Therm, resistance at SWS period, °C/W

64

48.8

17

2.8

3.5

Max. dissipated power removal (AT = 200°C), W/mm

4.5

5.1

16.8

102

57

Max. power removal at casing (at

Pcool = 500 W/cm2), W/mm

50

120

It is evident that the proposed HSWS does not limit the TWT average output power: limits are imposed by heat removal at the casing. Furthermore, the proposed HSWS outperforms the single-beam coupled-cavity SWS in all respects.

Comparison of the HSWS under consideration with several recent SWSs [1, 2] has also demonstrated advantages of the suggested approach.

IV.  Conclusion

Advantages of the proposed HSWS are based on the following:

•    High thermal conductivity of diamond;

•    Excellent thermal contact between helix and dielectric support;

•    Large surface area of contact: heat removal is one order of magnitude better than with conventional SWSs and even better compared to coupled-cavity SWSs;

•    Coupling impedance is higher in comparison with SWSs having supporting rods (due to low dielectric load);

•    Typical for SWSs bandwidth (up to octave and higher);

•    Reliability at first power-on;

•    Small dimensions and weight, good manufacturability.

The proposed HSWS design actually defines a new class of TWTs offering the average power higher than that of singlebeam coupled-cavity TWTs, while bandwidth and coupling impedance are better than with conventional helical tubes. These devices are capable of supplanting single-beam coupled-cavity TWTs in most of their applications in mm and SW cm bands, for example:

. ECM TWTs;

•    satellite TWTs;

•    high-power mm-wave TWTs;

while significantly enhancing performance of these systems.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии»

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты