МОЩНЫЕ ГИРОРЕЗОНАНСНЫЕ УСИЛИТЕЛИ – ЧАСТЬ 1

October 25, 2014 by admin Комментировать »

Е. В. Засыпкин

Институт прикладной физики РАН, Нижний Новгород

Введение

Среди усилителей миллиметрового диапазона длин волн наибольшей мощностью обладают гирорезонансные усилители, к которым относятся гироклистроны, гиро-ЛБВ, и гиротвироны. Реализация больших уровней мощности выходного излучения обеспечивается наличием у гироусилителей ряда преимуществ по сравнению с традиционными усилителями О-типа:

■        Винтовой электронный поток взаимодействует на циклотронной частоте (или ее гармониках) с быстрыми ТЕ-волнами, распространяющимися в слабонерегулярных волноводах кругового сечения с фазовой скоростью, много большей скорости света. Для поддержания длительного фазового синхронизма потока с ВЧ-полем замедления волны не требуется.

■        Отбор запасенной вращательной энергии у пучка ВЧ-полем производится в пространственно-развитой электродинамической системе, имеющей большой объем и не содержащей элементов с размерами, меньшими рабочей длины волны. Вывод энергии из гироусилителя осуществляется круглым волноводом большого диаметра, связанным с выходным каскадом диафрагмой или конусным переходом. Вышеперечисленные обстоятельства позволяют радикально решить проблемы теплоотвода и высокочастотного пробоя и за счет этого обеспечить высокоэффективную работу усилителя при больших уровнях мощности выходного излучения в миллиметровом диапазоне волн.

Используемые в гироусилителях адиабатические магнетронно-инжекторные пушки с большой компрессией формируют интенсивные винтовые пучки с малым разбросом скоростей и большой долей энергии, запасенной во вращательном движении электронов. Линейная теория гиро-ЛБВ была построена и подтверждена экспериментально уже к началу 60-х годов [1]. Гироклистрон был предложен в СССР в 1966 году А. В. Гапоновым, А. Л. Гольденбергом и В. К. Юлпатовым [2] и независимо в США Д. Хиршфилдом и Дж. Вотчелом [3]. В 1967 году в Научно-исследовательском радиофизическом институте (НИРФИ) был продемонстрирован экспериментальный макет гироклистрона, работавший в сантиметровом диапазоне волн на основной моде ТЕщ с КПД 70% [4].

В начале семидесятых годов в НИРФИ и ГНПП "Исток" (г. Фрязино) были сконструированы и испытаны мощные усилители 8-мм диапазона длин волн: трехрезонаторный гироклистрон непрерывного действия с выходной мощностью около 10 кВт с КПД 25% и коэффициентом усиления 30 дБ (ГНПП "Исток") и двухрезонаторный гироклистрон с импульсной мощностью 20 кВт при КПД 25% и коэффициенте усиления 20 дБ (НИРФИ). Последующие исследования проводились совместно НИИ "Титан" и ИПФ РАН в более длинноволновом диапазоне. Результатом работы стало создание импульсных трехрезонаторных гироклистронов с рабочей частотой 16 ГГц и следующими параметрами: выходная мощность 60 кВт, КПД 50%, коэффициент усиления 30 дБ (НИИ "Титан") и пиковая мощность 160 кВт, КПД 30%, коэффициент усиления 35 дБ (ИПФ РАН).

Первая американская разработка гироклистрона была предпринята фирмой "Вариан" в 1977 году. В экспериментальном макете гироклистрона был достигнут уровень мощности 65 кВт при КПД 9%, коэффициенте усиления 40 дБ в полосе рабочих частот 0,2% [5]. В 1979 году в Военно-морской лаборатории США (Naval Research Laboratory (NRL), Washington) была создана гиро-ЛБВ, работающая на частоте 35 ГГц с выходной мощностью 16,6 кВт при усилении 20 дБ и КПД 8%. Полоса усиления составляла 1,5% [6].

Новый этап в развитии гироусилителей связан с их применением в дальней миллиметровой радиолокации. С конца 70-х годов в НПО "Радиофизика" проводилась разработка многолучевой радиолокационной системы (РЛС) миллиметрового диапазона волн, предназначенной для одновременного обнаружения и точного определения координат нескольких целей с размерами 10-100 см на дальностях до 1000 км. Экспериментальный вариант наземной миллиметровой РЛС ("Руза") был создан и успешно испытан в конце 80-х – начале 90-х годов на полигоне Сары-Шаган в Казахстане [7].

В качестве предпоследнего и выходного каскадов усилительных цепочек станции "Руза" были использованы мощные гироклистроны с рабочей частотой 34 ГГц, разработанные совместно ИПФ РАН и ГНПО "Торий". Позднее в ИПФ РАН были созданы многорезонаторные гироклистроны импульсного и непрерывного действия, работающие на частоте 94 ГГц. С середины 90-х годов разработка мощных гироклистронов с рабочей частотой 35 и 94 ГГц была начата в NRL.

Настоящее сообщение представляет собой обзор состояния разработок и исследования гироусилителей миллиметрового диапазона волн как в России, так и за рубежом.

1.                                         Принцип действия и основные схемы гироусилителей

Схемы основных типов гироусилителей приведены на рисунке. В гироклистронах роль отдельных каскадов играют относительно низкодобротные цилиндрические резонаторы, разделенные запредельными для рабочего типа колебаний трубками дрейфа (рисунок а). Процесс усиления сигнала в гироклистроне повторяет в основных чертах процесс усиления в обычном клистроне О-типа. Во входном резонаторе энергия вращательного движения электронов модулируется ВЧ-полем входного сигнала, частота которого близка к их циклотронной частоте. В трубке дрейфа электроны группируются по фазе вращения из-за релятивистского эффекта. Образовавшиеся при группировке сгустки поступают в выходной резонатор, возбуждая в нем ВЧ-поле на частоте усиливаемого сигнала с большой амплитудой. По аналогии с пролетным клистроном, для увеличения коэффициента усиления и КПД в гироклистроне могут быть использованы промежуточные резонаторы. ВЧ-поле, возбуждаемое в них электронным потоком, приводит к дополнительной модуляции энергии вращательного движения частиц, что позволяет улучшить качество сгустков.

В гиро-ЛБВ, как и в ЛБВ О-типа, электроны взаимодействуют с высокочастотным полем электромагнитной волны, распространяющейся в направлении их поступательного движения. В простейшем случае электродинамическая система гиро-ЛБВ представляет собой гладкий волновод, содержащий с катодной стороны устройство ввода внешнего сигнала, а с коллекторной – плавный конусный переход к выходному волноводу увеличенного сечения (рисунок б). Если в гироклистроне процессы модуляции энергии, фазовой группировки и отбора энергии разделены в пространстве и времени, то в гиро-ЛБВ все три процесса протекают одновременно и непрерывно при воздействии бегущей волны усиливаемого сигнала на электроны пучка, перемещающегося от катода к коллектору. Азимутальные сгустки, образующиеся вначале в окрестности нулевой фазы переменного поля, по мере роста амплитуды волны смещаются из нулевой в тормозящую фазу ВЧ-поля. При торможении сгруппированные электроны синфазно отдают волне часть своей запасенной вращательной энергии, что приводит к ее усилению.

Электродинамические системы гироусилителей гибридного типа (гиротвистронов и инвертированных гиротвистронов) включают в себя как резонаторы, так и секции с бегущей волной, разделенные закритическими для рабочей моды трубками дрейфа. В гиротвистронеСхемы гироусилителей: а – гироклистрон, б – гиро-ЛБВ, в – гиротвирон, г – инвертированный гиротвирон.

(рисунок в) модуляция и группировка электронного потока осуществляется системой резонаторов (как правило, низкодобротных и расстроенных относительно друг друга), а отбор энергии у предварительно сгруппированного пучка производится в секции с бегущей волной. В инвертированном гиротвистроне (рисунок г) роль входного каскада играет относительно короткая секция гиро-ЛБВ, нагруженная с выходного конца на СВЧ-поглотитель, а догруировка и отбор энергии у пучка происходит в низко добротных резонаторах.

Наибольшие уровни мощности, КПД и коэффициента усиления были достигнуты в гироклистронах, однако полоса рабочих частот этих усилителей даже в лучших случаях не превышала одного процента. Ограничение ширины полосы усиливаемых частот обусловлено, главным образом, резонансными свойствами выходного каскада. В гиро-ЛБВ можно реализовать широкополосное усиление (полоса усиливаемых частот может достигать 20-30%), однако по уровню мощности они значительно уступают гироклистронам. Основной причиной ограничения выходной мощности и КПД в гиро-ЛБВ является ее самовозбуждение на встречной рабочей или квазикритической волне, либо на рабочей волне, отраженной от концов пространства взаимодействия. По уровню выходной мощности, КПД и коэффициенту усиления гиротвистроны не слишком сильно уступают гироклистронам, поскольку в этих приборах можно без особых проблем обеспечить устойчивое усиление при работе на высших типах колебаний. С другой стороны, применение в гиротвистронах широкополосных группователей и нерезонансных секций отбора энергии позволяет существенно (в несколько раз) расширить полосу усиливаемых частот. Ожидать же расширения полосы усиления в инвертированном гиротвистроне вряд ли оправдано, поскольку энергия у сгруппированного пучка отбирается в достаточно низкодобротном, но все же резонаторе.

Источник: ВАКУУМНАЯ СВЧ ЭЛЕКТРОНИКА: Сборник обзоров. — Нижний Новгород: Институт прикладной физики РАН, 2002. — 160 с.

Оставить комментарий

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