УСИЛИТЕЛИ И ГЕНЕРАТОРЫ МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА ДЛИН ВОЛН

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.

• Предыдущая запись: Универсальные осциллографы группы С1 Часть 4
• Следующая запись: Зарядное устройство для герметичных кислотно-свинцовых аккумуляторов

Похожие посты:

• ПРИЕМНИК B ДИАПАЗОНЕ 7 МГЦ HA ОСНОВЕ ИНВЕРТОРА (0)
• ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НИЗКОЧАСТОТНОГО СИГНАЛА (0)
• ПРИЕМНИК ДАННЫХ ДЛЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ (0)
• ПОНИЖАЮЩИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ТЕЛЕВИЗИОННОЙ СИСТЕМЫ B ДИАПАЗОНЕ ЧАСТОТ 420-450 МГЦ (0)
• УСИЛИТЕЛЬ СИГНАЛА БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ (0)
• УКВ- приемник (0)
• Стереофонический УКВ ЧМ-приемник с низковольтным питанием NM3201 (0)