АНАЛИЗ СООТВЕТСТВИЯ ГИРОТРОННЫХ ПРИБОРОВ НОРМАМ НА ЭЛЕКТРОМАГНИТНУЮ СОВМЕСТИМОСТЬ

December 3, 2014 by admin Комментировать »

А. П. Сухоруков, А. В. Шелудченков Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова

Экспериментальные и теоретические исследования мощных гироусилителей миллиметрового диапазона длин волн показали, что достижению высоких энергетических характеристик мешает неустойчивость, развивающаяся в интенсивном винтовом электронном потоке (ВЭП) с повышением тока катода /0 или питч-фактора g = v±/v\\. В работе [1] аналитически и численно исследованы сценарии развития неустойчивостей в ВЭП. Показано, что при повышении тока катода увеличивается разброс поперечных скоростей электронов и ’’провисание’’ потенциала в электронном потоке. Данные факторы способствуют росту числа захваченных в магнитную ловушку "медленных" (с низкими дрейфовыми и высокими осцилляторными скоростями) электронов. При дальнейшем повышении тока пучка в предрезонаторной области возникает сильная высокочастотная неустойчивость и срыв рабочего режима гироприбора.

Для повышения устойчивости в предрезонаторной области обычно располагают омические поглотители или применяют альтернативные методы предотвращения самовозбуждения [2]. В работе приведены результаты экспериментального исследования влияния различных типов неустойчивостей в ВЭП на спектральные характеристики выходного излучения гироклистрона и предложен эффективный электродинамический способ подавления МЦР-герации.

Спектральный состав выходного излучения

При небольших значениях питч-фактора g = Vj_/vjj < 1,2 в ВЭП присутствуют бегущие в азимутальном направлении волны, возникающие в магнетронно-инжекторной пушке (МИП) и приводящие к низкочастотному когерентному излучению слабой интенсивности с частотой f\ = 200-300 МГц [3]. Экспериментально подтвердилась зависимость частоты от электрического и магнитного поля на катоде. Эти колебания ухудшают отношение сигнал/шум, однако практически не сказываются на выходных энергетических характеристиках прибора. С ростом выходной мощности интенсивность этих компонент снижается до -60 дБ относительно несущей и более.

При дальнейшем повышении питч-фактора до g = 1,2 во входном участке электродинамической системы (включая трубу дрейфа и область компрессии) возникает интенсивная генерация МЦР-типа, которая подавляет полезный сигнал на 20-40 дБ, не позволяя выйти на режим насыщения по g с максимальным КПД. Самовозбуждение МЦР-типа наблюдалось как на рабочем типе колебаний ТЕ0,ь так и на волне ΤΕ2)ι. Практически одновременно с этим (в интервале g = 1,0-1,3) в спектре выходного сигнала появляются боковые полосы, отстоящие от основной на величину^ = 30-50 МГц. С увеличением питч-фактора они приобретают шумовой характер. Своим возникновением они обязаны продольным колебаниям пространственного заряда захваченных в магнитной ловушке медленных электронов. Период колебаний примерно совпадает с временем пролета электронов от катода до "полки" магнитного поля. Шумовой характер объясняется наличием различных по продольной скорости групп электронов.Дальнейшее повышение питч-фактора до g = 1,7-2,0 приводит к хаотизации колебаний и возникновению мощного некогерентного излучения в полосе Af= 150-250 МГц. Вследствие этого происходит полное разрушение пространственной структуры ВЭП и глубокое подавление полезного сигнала.

Рис. 1. Нормы помехоэмиссии и спектр излучаемых гироклистроном помех в нормируемом диапазоне частот.

Любое техническое средство (установка), используемое в промышленных, научных, медицинских или бытовых целях, должно удовлетворять нормам, ограничивающим эмиссию электромагнитных помех в эфир и сети питания. В России эти нормы установлены ГОСТом 23450-79 [4]. За рубежом вопросами нормирования и контроля за излучением электромагнитных помех занимаются такие организации, как FCC (Федеральная комиссия связи, США), МЭК и др.

Существующие в ВЭП колебания и волны приводят к интенсивному излучению электромагнитных помех через керамические изоляторы катодного узла прибора. Нами были проведены измерения напряженности поля электромагнитных помех, излучаемых 2,5 кВт гироклистроном 3-миллиметрового диапазона в нормируемом диапазоне частот. Результаты измерений представлены на рис. 1. Видно, что уровень индустриальных помех превышает допустимые нормы на 30-35 дБ. Более того, спектр помех попадает в ради телевещательный диапазоны и может создавать серьезные помехи приемопередающим техническим средствам.

Электродинамический способ подавления самовозбуждения

Для эффективного подавления самовозбуждения исследован процесс трансформации падающей волны на случайно расположенных неоднородностях на стенке сверхразмерного волновода. Данный процесс модового преобразования сопровождается перекачкой энергии падающей волны в моды "шепчущей галереи", поле которых сильно прижато к стенкам. Таким образом, в такой электродинамической структуре имитируется открытое пространство, в котором отсутствует положительная обратная связь, обусловленная отражением электромагнитной волны от стенок волновода [5].

Процесс модового преобразования электромагнитной волны сопровождается быстрым прижатием поля к стенкам волновода в результате перекачки энергии в волны с большими азимутальными индексами, что резко снижает эффективность взаимодействия с электронным потоком и способствует быстрой диссипации электромагнитной энергии в поглощающем покрытии на стенках волновода.

В результате применения устройств, работающих на перечисленных принципах, реализуются одновременно 4 механизма, препятствующие возникновению самовозбуждения гироусилителя: падение сопротивления связи за счет роста объема, занятого электромагнитным полем; перераспределение энергии электромагнитного поля между типами колебаний, сопровождающееся прижатием поля к стенкам; рост диссипативных свойств системы независимо от величины омических потерь в стенках; нарушение условия фазового синхронизма между пучком и полем на любом участке, много меньшем геометрической длины электродинамической системы.

Рис. 2. Возникновение генерации в модернизированном (а) и базовом (б) приборах 1 – выходная мощность, 2 – токседание на 1-м аноде.

Таким образом, предлагаемая система представляет собой хорошо согласованный, сверхразмерный, эффективный СВЧ-поглотель, который является широкополосным как по частоте, так и по типам волн.

После применения описанного устройства в модифицированных лампах удалось подавить паразитное самовозбуждение, увеличить выходную мощность и КПД усилителя без самовозбуждения (рис. 2) и, что самое важное, снизить уровень излучаемых индустриальных помех до нормируемых значений.

Литература

1.        Цимринг Ш. Е. Проблемы неустойчивости винтовых электронных пучков в гиротронах // Лекции по электронике СВЧ и радиофизике: 9-я зимняя школа-семинар, СГУ. 1993. С. 11-19.

2.        Pedrozzi М., Alberti S., Hogge J. Р., Tran М. Q., Tran T M. Eletron beam instabilities in gyrotron beam tunnels // Phys. Plasmas. June 1998. V. 5, № 6. P. 2421-2430.

3.        Korolev F., Sukhorukov A. P., Sheludchenkov A. V. Investigation of nonstability of the annular electron beam in the gyroamplifier // Journal of communication, technology & electronics. 2000. V. 45. Supplementary issue 1.

4.        ГОСТ 23450-79. Радиопомехи индустриальные от промышленных, научных, медицинских и бытовых высокочастотных установок. Нормы и методы измерений. М., 1990.

Королев А. Ф., Полежаев В. А., Сухоруков А. П., Шелудченков А. В. Электродинамический способ подавления самовозбуждения в гиротронном усилителе // Электромагнитные волны & электронные системы. 2000, № 3.

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

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