УСИЛИТЕЛИ И ГЕНЕРАТОРЫ МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА ДЛИН ВОЛН

January 17, 2015 by admin Комментировать »

В.   С. Андрушкевич, А. И. Тореев, Ю. Г. Гамаюнов Саратовский государственный университет

В Саратовском госуниверситете накоплен многолетний опыт по созданию генераторов и усилителей О-типа миллиметрового диапазона длин волн. Уже в конце 50-х-начале 60-х годов были разработаны ЛОВ типа клинотрон как непрерывно перестраиваемые в полосе более 10%, так и оригинальные резонансные [1], которые в коротковолновой части миллиметрового диапазона обеспечивали в непрерывном режиме выходные мощности десятки ватт и 120 Вт соответственно. На основе разработанной теории клинотрона [2] были выявлены принципиальные ограничения дальнейшего существенного увеличения мощности приборов с наклонным ленточным пучком. Поэтому в дальнейшем работы проводились по созданию мощных усилителей О-типа с цилиндрическим электронным пучком и электродинамической системой типа ЦСР. Одной из первых была разработана в длинноволновом участке миллиметрового диапазона импульсная ЛЕВ с выходной мощностью 150 Вт и усилением 30 дБ, которая обладала такими же пригодными для практического использования параметрами (ускоряющее напряжение 13 кВ, ток луча 100 мА и масса прибора с магнитом менее 5 кг), как ЛБВ зарубежных фирм (914Н, 913Н и др.) [3, 4]. В разработанной затем "прозрачной" ЛБВ, работающей при относительно малых ускоряющих напряжениях 14-15 кВ, выходная импульсная мощность составляла 1 кВт при усилении 11 дБ. Для сравнения отметим, что в уникальной по своим параметрам ЛБВ RW-3010, разработанной фирмой Siemens [5], в непрерывном режиме обеспечивалась мощность 1 кВт, но при большем ускоряющем напряжении – 25 кВ.

Разработка мощных усилителей оказалась возможной на основе фундаментальных теоретических исследований по формированию компрессионных аксиально-симметричных пучков и создания методов оптимизации электронно-оптических систем (ЭОС) [6], а также на основе впервые выявленных закономерностей транспортировки цилиндрических пучков при нарушении аксиальной симметрии магнитного поля. Было показано [7], что даже небольшое нарушение аксиальной симметрии магнитного фокусирующего поля в протяженных системах может приводить к кумулятивным эффектам поперечного смещения электронного пучка от оси. Избежать этого удается путем детерминированных реализаций углов ориентации остаточного поперечного осевого магнитного поля, при которых осуществляется практически симметричное положение пучка в пролетном канале [8]. В технологическом плане успех в изготовлении экспериментальных макетов в значительной мере был обеспечен также благодаря применению разработанного метода детерминированной комплектации ячеек ЦСР [9], позволившего существенно снизить жесткие требования на механические допуски при изготовлении отдельных деталей, и, следовательно, избежать необходимости применения дорогостоящего высокопрецизионного оборудования. В последующие годы проводились теоретические и экспериментальные исследования по созданию клистронов с распределенным взаимодействием (КРВ). Были разработаны линейная и нелинейная теории КРВ [10] и комплекс оригинальных программ расчета их амплитудных и частотных характеристик. Впервые был разработан КРВ длинноволновой части миллиметрового диапазона с выходной импульсной мощностью более 2,5 кВт, усилением более 35 дБ относительной полосой частот 0,8% и КПД 25%, работающий при сравнительно небольшом ускоряющем напряжении 13,2 кВ. Отметим, что в клистроне этого же диапазона частот ВКА-7852 [11], разработанном фирмой Varian США, обеспечивалась выходная импульсная мощность 2,6 кВт, усиление 50 дБ в относительной полосе частот 0,3%. Для создания мощных усилителей более коротковолнового диапазона потребовалось найти новые технические решения. Были разработаны оригинальные конструкции электронной пушки [12], резонаторной системы [13], а также прибора, пакетированного с постоянным магнитом [14]. В результате исследований был создан импульсный КРВ средней части КВЧ-диапазона с выходной мощностью более киловатта, полосой частот 0,,25% и усилением более 30 дБ [14]. Прибор мог использоваться также в качестве генератора с внешней обратной связью. Ускоряющее напряжение в приборе составляло 18 кВ, ток луча – 0,5 А. Необходимо отметить, что в таких мощных приборах токопрохождение пучка в пролетном канале в значительной мере определяется влиянием поперечных тепловых скоростей электронов, поскольку электронные пушки в них имеют сравнительно низкий первеанс пучка и очень высокую его сходимость. Для уменьшения токооседания пучка на трубках дрейфа был предложен метод подавления эффектов теплового движения электронов [15, 16]. Было показано [16], что для каждой ЭОС с заданными параметрами электронного пучка (ускоряющее напряжение, первеанс, диаметр термокатода, требуемый диаметр пучка) и уровня рабочего магнитного фокусирующего поля имеется оптимальное значение магнитного потока на катоде и оптимальная величина "холодной" компрессии пушки, при которых достигается минимальный тепловой ореол пучка в пролетном канале. В высококомпрессионной ЭОС мощного КРВ [14], разработанной с использованием метода оптимизации, а также оригинальных конструкций магнитнофокусирующей системы [17] и электронной пушки [12], обеспечивалось высокое токопрохождение пучка при сравнительно небольших величинах магнитного фокусирующего поля – 0,6-0,65 Т. Для сравнения в высококомпрессионной ЭОС с сеточным управлением [18], предназначенной для использования в КРВ типа VKB-2461 (Varian) с аналогичными параметрами пучка, это достигалось при величине магнитного поля 1,1 Т. Дальнейшее совершенствование разработанных мощных КРВ может быть направлено на существенное увеличение коэффициента усиления, например за счет оптимизации электродинамических систем [19, 20], применения низковольтного бестокового управления электронным пучком [21], а также использования эффективных систем рекуперации энергии электронов отработанных пучков [22, 23].

Литература

1.        Андрушкевич В. С, Тореев А. К Раретрон-распределенно-резонансный генератор О-типа: А.с. 40776 СССР по заявке 974089 кл. МКА НО 1J 21 g 13/17 с приорит. 10.05.66 г. № 1/107 в патентном фонде ПЛО СГУ, Саратов, Россия.

2.        Андрушкевич В. С., Бородкин А. Я., Гамаюнов Ю. Г. Нелинейные эффекты клинотронных усилителей на обратной волне // Тр. ИРЭ АН УССР. 1969. Т. 16. С. 160-162.

3.        Hughes TWT and TWTA, 1980 Selection Guide, Catalogue / Hughes Aircraft Compani. Torrance, California. 1980. 7p.

4.        Hannan W. A., Kennedy T. B., Tammary J. Design of PPM focused high efficiency space TWT at millimetre wave- lengths.-In: IEDM, Washington-New York, N.Y., 1976. P. 377-380.

5.        SeunikH., Gross F., Wallender S., Wienzierl F. Microwave System News. 1974. V. 4. № 6/7. P. 43.

6.        Андрушкевич В. С, Барышников И. В., Гамаюнов Ю. Г. Расчет электронных пушек с частичной магнитной экранировкой катода и влияние тепловых скоростей электронов на параметры электронного потока // Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ. 1984. Вып. 6(366). С. 43-48.

7.        Андрушкевич В. С. Эффекты поперечных смещений тонких протяженных электронных пучков при нарушении аксиальной симметрии магнитного поля // Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ. 1982. Вып. 11(347). С. 39-43.

8.        Андрушкевич В. С., Гамаюнов Ю. Г, Сахаджи В. Ю. Транспортировка электронных пучков в протяженных каналах при нарушении аксиальной симметрии магнитных периодических фокусирующих полей // Письма в ЖТФ. 1985. Т. 11, вып. 8. С. 481-484.

9.        Андрушкевич В. С, Антонов Э. С., Семенов В. К, Тореев А. И., Тупикин В. Д. Способ изготовления замедляющей системы типа цепочки связанных резонаторов приборов О-типа: А.с. 1090182 РФ кл.МКИ H01J 25/00 // Б.И. 1993. №41-42. С. 218.

10.     Андрушкевич В. С, Вырский В. С, Гамаюнов Ю. Г., Шевчик В. Я. Усилительные клистроны с распределенным взаимодействием. Саратов: Изд-во Саратовского университета, 1977. 152 с.

11.     Roach В., Moen G., Acker A. Ka-Band Radar… -Wich Tube to Choose? // MSN ВЕСТ. 1987. V. 17, № 7. P. 93-96.

12.     Тореев А. К, Собянина E. В., Патрушева E. В., Фалькенгоф A. E. Электронная пушка СВЧ прибора О-типа: А.с. 1561741 РФ кл. МКИ HOI J 23/06 // Б.И. 1993. № 47-48. С. 189.

13.     Андрушкевич В. С, Тореев А. И., Федоров В. К., Собянина Е. В. Резонаторная система с распределенным взаимодействием СВЧ-прибора. А.с. 1529995 РФ кл. МКИ HOI J 25/00 // Б.И. 1993. № 47-48. С. 189.

14.     Андрушкевич В. С., Гамаюнов Ю. Г, Тореев А. И., Федоров В. К. Мощный пакетированный электровакуумный источник КВЧ-излучения // Саратов: СГТУ, 1994. Тезисы докладов на МНТК АПЭП-94. С. 3-4.

15.     Гамаюнов Ю. Г, Патрушева Е. В., Торев А. И. О выборе магнитного поля на катоде в пушках с частичной магнитной экранировкой // Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ. 1989. Вып. 10(424). С. 54-56.

16.     Гамаюнов Ю. Г, Тореев А. И., Патрушева Е. В. Расчет и экспериментальное исследование компрессионной электронной пушки для ЭВП типа О коротковолнового диапазона длин волн // Электронная техника. 1998. Вып. 2(172). С. 29-31.

17.     Тореев А. И., Явчуновский В. Я., Шемчик С В., Бондаренко С. М. и др. Магнитная фокусирующая система для СВЧ прибора: А.с. 1426331 РФ кл. МКИН01 J 23/087//Б.И. 1994. №41-42. С. 218.

18.     Grant Т J., Garcia R., Miram G. V., Smith В. Bonded gried electron gun for 95 GHZ extended interaction amplifier (EIA) Int. Electron Divices Meet. Washington DC, 5-7, Dec, 1983 // Techn. Dig., New York, N. Y. 1983. P. 141— 143.

19.     Федоров В. К., Тореев А. И. Распределенные и гибридные схемы взаимодействия мощных пакетированных клистронов КВЧ-диапазона // Саратов: СГТУ, 1996. Тезисы докладов на МНТК АПЭП-96. С. 68-69.

20.     Тореев А. И., Федоров В. К. Выбор схем взаимодействия пакетированных клистронов // Саратов: СГТУ, 1998. Материалы докладов на МНТК АПЭП-98. Т. 1. С. 257-260.

21.     Тореев А. И., Гамаюнов Ю. Г, Патрушева Е. В., Собянина Е. В. Электронная пушка сферического типа: Пат. 2066497 РФ. // Б.И. 1996. № 25.

22.     Тореев А. И., Гамаюнов Ю. Г, Патрушева Е. В., Агададашев Ф. Г, Собянина Е. В. СВЧ-прибор О-типа. Пат. 2019879 РФ. // Б.И. 1994. № 17.

Тореев А. К, Гамаюнов Ю. Г, Патрушева Е. В., Агададашев Ф. Г СВЧ-прибор О-типа. Пат. 2081473 РФ. //Б.И. 1997. № 16.

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