МОЩНЫЕ ЛБВ САНТИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА ДЛИН ВОЛН

December 22, 2014 by admin Комментировать »

Г. В. Рувинский, О. Н. Аристархова, Е. А. Котюргин, А. С. Победоносцев

ГНПП "Исток", Фрязино

Разработка и выпуск мощных ЛБВ сантиметрового диапазона в ГНПП "Исток” начались более 40 лет назад. В таблице приведены параметры приборов, характеризующие направления развития мощных ЛБВ. Первые двадцать лет разрабатывались приборы с замедляющей системой на цепочке связанных резонаторов (ЦСР), так называемая система "диафрагмированный волновод”.

В начале 80-х годов начались первые разработки приборов с замедляющей системой на встречных штырях.

Схематическое изображение диафрагмы со штыревой системой дано на рис. 1.

Основное достоинство встречных штырей по сравнению с ЦСР – уменьшение диаметра рабочей области диафрагмы более чем в два раза. Это преимущество особенно заметно в длинноволновой и средневолновой части сантиметрового диапазона длин волн. Например, диаметр диафрагмы прибора с мощностью 1,5 кВт в диапазоне частот 4,0+4,5 ГГц на ЦСР составляет 26,5 мм, на встречных штырях – 11 мм. В диапазоне частот 6 ГГц – соответственно 22 и 11 мм. Кроме значительного уменьшения массогабаритных характеристик (в частности, масса прибора 4-см диапазона уменьшилась с 19 до 9 кг), значительно упростилось обеспечение заданного магнитного поля. Для фокусировки электронного луча мощных приборов с помощью магнитной периодической фокусирующей системы (МПФС) часто требуется обеспечить магнитное поле более 0,2 Т. Для этого в замедляющей системе на ЦСР приходится часть диафрагм изготавливать из магнитомягкого железа, что приводит к возникновению целого ряда технических проблем: обеспечение необходимых толщин стенок между диафрагмами для исключения магнитного насыщения в них; обеспечение необходимого теплоотвода в этих диафрагмах (в частности, приходится диаметр пролётного канала в железных диафрагмах делать больше, чем в медных диафрагмах); необходимы дополнительное меднение и ряд других конструкторско-технологических решений. В замедляющей системе на встречных штырях железо не выходит в рабочую область.

Следует подчеркнуть ещё одно достоинство системы встречных штырей: более устойчивый режим работы вблизи 2я-вида, т. е. на частотах, на которых разность фаз электромагнитной волны на одну ячейку замедляющей системы близка к 2π. Сопротивление связи замедляющей системы на ЦСР и встречных штырей вблизи π-вида ведёт себя примерно одинаково (рис. 2), а вблизи 2я-вида сопротивление связи встречных штырей близко к нулю. Поэтому вероятность самовозбуждения на соответствующих частотах значительно меньше.Параметры ЛБВ, выпускаемых ΓΗΙ111 "Исток1

Наименование прибора

Диапазон частот,

ГГц

Полоса рабочих частот,

МГц

Выходная импульсная мощность, кВт

Коэффициент заполнения,

%

Вид замедляющей системы

Коэффициент усиления, дБ

Напряжение замедляющей системы, кВ

Ток катода,

А

Модулирующее напряжение,

В

Вид магнитной фокусировки

Масса, кг

УВ-309

5,7-6,3

600

1,5 (непр.)

100

ВШ

>30

10,5

1,0

МПФС

7

УВ-311

4,4-4,75

350

1,6 (непр.)

100

ВШ

>30

10,5

1,0

МПФС

8

УВ-326

7,9-8,4

500

1,5 (непр.)

100

ВШ

>36

10,5

1,0

МПФС

6

У В-25-1

8-10

2000

>1,0 (непр.)

100

ЦСР

23

11,0

0,9

соленоид

2,5

УВИ-113

9,2-9,7

500

>0,3

25

ВШ

45

8,4

0,3

-800±0

МПФС

3

УВИ-114

9,2-9,7

500

4,5

25

ЦСР

12

8,4

2,5

-800

пост. магн.

6

УВИ-21-2

3 см

700

2,5 к.н.

50

ВШ

30

16

1,0

ан. мод.

МПФС

5

УВИ-25-8

2 см

500

неск. ед.

3,0

ВШ

43

24

1,2

-2300+0

МПФС

5

УВИ-24-4

2 см

500

неск. дес.

3,0

ЦСР

12

24

4,5

-2300

пост. магн.

8,5

УВИ-25-5

9,2-9,9

700

7

10,0

ВШ

40

18

2,0

350+300

МПФС

5

УВИ-25-6

16,5-17

500

10

7,0

ЦСР

40

29

2,0

450+300

МПФС

5

УВ-21-7

5,7-8,4

2700

>1,0

100

спираль

>3,6

12

0,6

МПФС

7

УВИ-25-8

9-9,8

800

>8,0

ВШ

40

<17

2,5

соленоид

30

В процессе разработки ЛЕВ на заданные параметры в замедляющей системе на встречных штырях существует больше степеней свободы для формирования необходимой дисперсионной характеристики, чем в замедляющей системе на ЦСР. Например, вариация длины и ширины штыря, введение дополнительного ёмкостного "козырька", вариация угла расположения штырей и т. д. В большинстве приборов, приведённых в таблице, применены различные вариации штыревых замедляющих систем.

Рис. 2. Зависимость сопротивления связи замедляющей системы и встречных штырей от величины фазового сдвига.

Остаётся рассмотреть вопрос о максимальных тепловых нагрузках в замедляющей системе на встречных штырях, т. е. о предельных значениях непрерывных (средних) мощностей, снимаемых в нагрузку. В ГНПП "Исток" разработаны приборы 1,5-2,5 кВт непрерывного и квазинепрерывного режимов работы в различных частотных диапазонах. Очевидно, что количество тепла, которое способен отвести штырь, зависит от длины и ширины штыря. Это, безусловно, следует учитывать при конструировании. В приборах, рассчитанных на более высокое напряжение (большие выходные мощности), штырь имеет меньшую длину, возрастает теплоотвод. Следовательно, предельно допустимые средние выходные мощности при достаточно больших импульсных мощностях могут быть выше, чем непрерывные мощности. Мы считаем, что средняя допустимая выходная мощность может достигать 5 кВт при МПФС и 10 кВт при фокусировке с помощью соленоида.

Рис. 3. Дисперсионные характеристики замедляющей системы прибора 3-см диапазона длин волн: 1 – экспериментальные; 2 – расчетные.

Следующей особенностью разработанных и разрабатываемых ЛЕВ в ГНПП "Исток" является выбор режима работы прибора вблизи π-вида на дисперсионной характеристике (рис. 3). Фазовый сдвиг между ячейками системы на нижней границе рабочей полосы составляет 1,1 π. Привлекательность работы в этой области заключается в следующем.

Во-первых, достаточно большие значения сопротивления связи. Это позволяет обеспечивать необходимые величины КПД и коэффициента усиления. Во-вторых, и это главное, обеспечение устойчивой работы прибора без самовозбуждения. Проиллюстрируем это рис. 2. Если прибор работает в области наибольшего сопротивления связи, то вероятность самовозбуждения на частотах, где сопротивление связи мало, становится незначительной. Это позволяет снизить требования к согласованию поглотителей с замедляющей системой и замедляющей системой с выводами энергии за пределами рабочей полосы частот.

К недостаткам работы вблизи π-вида можно отнести увеличение трудоёмкости настройки прибора в области наибольшего перепада сопротивления связи замедляющей системы.

Из-за значительного изменения коэффициента замедления и сопротивления связи в рассматриваемой области возрастает перепад коэффициента усиления в заданной полосе частот. Так, например, в ЛЕВ с двухсекционной замедляющей системой и полосой рабочих частот 9% перепад коэффициента усиления в режиме насыщения достигает 18-Ξ-20 дБ (при заданном постоянном уровне выходной мощности). Проблему снижения этих значений до 3-5 дБ мы решаем с помощью создания 3-секционной замедляющей системы с расстроенной средней секцией и выбором рабочего напряжения замедляющей системы, соответствующего оптимальному значению на частоте с минимальным коэффициентом усиления.

Анализ отечественных и зарубежных требований к рабочим полосам мощных ЛБВ показал, что наиболее распространённая полоса рабочих частот мощных ЛБВ на ЦСР составляет 5 00-г700 МГц. Эти значения обеспечиваются приборами, работающими вблизи π-вида дисперсионной характеристики.

Одним из направлений обеспечения больших выходных импульсных мощностей ЛБВ (от нескольких десятков кВт и выше) при относительно низких питающих напряжениях в ГНПП "Исток" является создание цепочки из 2 ЛБВ. В качестве выходного каскада выбирается многолучевая, короткая без поглотителя, так называемая "прозрачная" ЛБВ с коэффициентом усиления порядка 12 дБ, а в качестве входного каскада разрабатывается однолучевая ЛБВ с коэффициентом усиления порядка 45 дБ. Общий КПД такой цепочки с одноступенчатой рекуперацией составляет 30-35%.

Преимуществом построения "цепочечного" варианта усилителя мощности является возможность дву более режимной работы по выходной мощности без существенной потери КПД; а также при создании усилителя мощности на 50-И00 кВт импульсной мощности и выше с относительно широкой полосой и высоким КПД. Значительно, более чем в 1,5 раза, снижается требуемое ускоряющее напряжение (аналогичное преимущество как и в многолучевых клистронах). Появляется возможность осуществлять питание входного и выходного каскадов от одного источника питания.

Выходной каскад такой цепочки армируется с постоянными магнитами, а входной каскад – с МПФС. При создании мощной монолампы часто приходится идти на фокусировку электронного луча с помощью соленоида, что снижает мобильность такой системы. В таблице представлены два варианта такого "цепочечного" построения усилителя.

В ГНПП "Исток" при создании мощных импульсных ЛБВ применяются два метода модуляции электронного луча.

Наиболее распространённым является метод "штырь-кольцо", конструкция которого представляет полый катод с проходящим через него управляющим электродом (УЭ) ("штырём"), соединённым с кольцевым фокусирующим электродом. Напряжение УЭ в паузе между импульсами (отрицательное относительно катода) составляет 7^-10% от ускоряющего напряжения; во время импульса напряжение УЭ равно примерно напряжению катода. Такая конструкция электронной пушки надёжна в эксплуатации при высоких требованиях к воздействию внешних механических факторов и долговечности. В последние годы проведены и проводятся разработки мощных ЛБВ с низковольтным сеточным управлением (примеры указаны в таблице). В 3-сантиметровом диапазоне длин волн в приборе с выходной импульсной мощностью 7 кВт и первеансом электронного луча 0,83 10"6 А/В3/2 получено токопрохождение 92% в режиме насыщения, ток управляющей сетки не превышает 2 мА.

Технология изготовления электронной пушки для такого прибора предусматривает:

изготовление сеток методами штамповки и электроискровой обработки, применение высокопластичной фольги молибдена для сеток, покрытие сеток антиэмиссионным материалом (гафнием), принятие конструктивных решений с целью устранения проводимостей по керамическим изоляторам, конструктивные решения по точному совмещению элементов сеток и стабильности их положения в процессе эксплуатации.

В ГНПП "Исток" проведена разработка мощной спиральной ЛБВ более 1 кВт выходной непрерывной мощности. Достигнуто токопрохождение электронного луча не менее 98%. Исследованы интермодуляционные составляющие 3-го порядка в двух-, трё четырёхчастотном режимах работы [1].

В многочастотном режиме работы в спектре усиленных сигналов наибольший относительный уровень мощности имеют сигналы комбинационных составляющих 3-го порядка с условным обозначением (33) и (32), где 1-й индекс означает порядок комбинационной частоты, а 2-й – количество сигналов с разными частотами, участвующих в её образовании. Например:

Анализ серии полученных характеристик показал, что уровень составляющих (33) может быть на 6-8 дБ выше, чем (32) при относительном равенстве образующих их сигналов.

Уровни интермодуляционных составляющих 3-го порядка неравных сигналов меньше уровней ИМС равных сигналов при одинаковых суммарных выходных мощностях.

Следует отметить, что ранее созданные мощные ЛБВ имеют одноступенчатую рекуперацию и обеспечивают при этом промышленный КПД 30-35%. В настоящее время ведутся работы по созданию дву более ступенчатого коллектора для мощных приборов. Основные проблемы в этом направлении заключаются в следующем:

1)            Обеспечение надёжной в эксплуатации при ВВФ электроизоляции в многоступенчатом коллекторе в условиях, когда питающие напряжения превышают 10 кВ.

2)            Снижение количества обратных электронов с коллектора на замедляющую систему при глубокой рекуперации. В мощных ЛБВ достигаемое значение электронного КПД выше, чем в маломощных приборах. Поэтому разброс по скоростям электронов, попадающих в область коллектора, больше, что приводит к относительному увеличению отражённых на замедляющей системе электронов. Кроме этого, абсолютное количество отражённых электронов при общем токе луча единицы ампер становится настолько большим, что начинает оказывать существенное влияние на тепловой режим работы ЛБВ.

Анализ параметров ЛБВ передовых зарубежных фирм и их сравнение с результатами, достигнутыми в ГНПП "Исток”, показал следующее.

ЛБВ непрерывного режима работы. Зарубежные аналоги до 3 кВт выходной мощности армируются с МПФС и имеют практически те же полосы рабочих частот (500-700 МГц), что и ЛБВ ГНПП "Исток". Так же совпадают режимы питания; массогабаритные характеристики отечественных ламп лучше; коэффициент усиления зарубежных ламп достигает 50-55 дБ (средний уровень коэффициента усиления порядка – 40 дБ).

Зарубежные ЛБВ с выходной непрерывной мощностью более 3 кВт, как правило, работают в соленоиде.

Мощные импульсные ЛБВ. Мощные импульсные зарубежные ЛБВ работают с сеточной низковольтной модуляцией, которая составляет 3-4% от ускоряющего напряжения. Как отмечалось выше, в ГНПП "Исток” решена задача создания приборов с сеточной модуляцией с величиной примерно 3,5% от ускоряющего напряжения. Ряд зарубежных ламп работают с двухступенчатым коллектором. В ГНПП "Исток" такая работа проводится.

Ряд зарубежных мощных ЛБВ (порядка 50-100 кВт импульсной мощности) работают в соленоиде. В ГНПП "Исток” предложено своё "цепочечное" решение, позволяющее избежать соленоида и в 1,5 раза снизить питающие напряжения.

Коэффициент усиления зарубежных ламп на 10-15 дБ выше, чем у разработанных в ГНПП "Исток".

В связи с развитием полупроводниковой техники во многих случаях применения менее трудоёмкой и более устойчивой является ЛБВ с коэффициентом усиления 40-45 дБ и предварительным транзисторным усилителем с коэффициентом усиления 20-25 дБ.

В заключение можно подчеркнуть следующие ближайшие перспективы развития мощных ЛБВ сантиметрового диапазона длин волн.

1.       Увеличение импульсных значений выходной мощности в монолампах до нескольких десятков киловатт и в "цепочечном" исполнении – до 100 кВт и выше.

2.       Надёжное обеспечение полосы рабочих частот до 10% при сохранении преимуществ встречно-штыревой системы и работы вблизи π-вида дисперсионной характеристики.

3.       Развитие направления импульсных приборов с низковольтным сеточным управлением, обеспечение надёжности в эксплуатации.

4.       Разработка мощных ЛБВ с двухступенчатой рекуперацией и промышленным КПД 40-45%.

Литература 1. Ruvinskiy G. V., Grecov A. I., Krutchkov V. V., Tishina V. S. Design and investigation of high-power helix TWT for systems of distant and space communication // Proc. Intern. University Conference. Electronics and Radiophysics of Ultra-High Frequencies. St. Peterburg. Technical University. May 1999.

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