УСИЛИТЕЛЬНЫЕ И ЗАЩИТНЫЕ СВЧ-ПРИБОРЫ, РАБОТАЮЩИЕ НА БЫСТРОЙ ЦИКЛОТРОННОЙ ВОЛНЕ ЭЛЕКТРОННОГО ПОТОКА

January 18, 2015 by admin Комментировать »

Ю. А. Будзинский, С. П. Кантюк, С. В. Быковский ГНПП "Исток", Фрязино

В ГНПП ’’Исток” создано и продолжает развиваться направление усилительных и защитных СВЧ-приборов, в основу которых положено взаимодействие сигнала с быстрой циклотронной волной (БЦВ) электронного потока [1-3]. Наибольшее развитие получили электростатические усилители (ЭСУ), циклотронные защитные устройства (ЦЗУ) и их комбинации с малошумящими транзисторными усилителями (ЭСКУ и ЦЗКУ). Данные приборы предназначены для работы во входных каскадах приемников импульсных РЛС в качестве устройств, обеспечивающих защиту от СВЧ-перегрузок, а также усиление сигнала с малым коэффициентом шума. Основным достоинством ЭСУ и ЦЗУ является сверхмалое время восстановления их чувствительности после воздействия СВЧ-перегрузки (характерные времена восстановления ~ 10 нс). Это позволяет создавать РЛС с высокой частотой повторения импульсов и длительностью импульсов от единиц наносекунд до миллисекунд.

1.                                                                                  Принципы работы

Принципиальное устройство ЭСУ и ЦЗУ показано на рис. 1. Электронная пушка формирует ленточный электронный поток, который последовательно проходит входной резонатор, усилительную структуру (для ЭСУ) или разделительную секцию (для ЦЗУ), выходной резонатор и оседает в коллекторе.

Основные требования к электронной пушке – это достаточно малые поперечные размеры луча и минимальная эквивалентная шумовая температура поперечных колебаний электронов. Для снижения шумовой температуры луча используется способ повышения индукции магнитного поля в области катода с последующим адиабатическим уменьшением уровня магнитного поля до величины, соответствующей циклотронному резонансу с сигналом в области взаимодействия. Циклотронная частота /ц и уровень продольного магнитного поля Bq

связаны известным соотношением:

где е/т – удельный заряд электрона. Шумовая температура быстрой (+) и медленной (-) циклотронных волн в этом случае определяется следующим образом [4]:

I

где Bq и Вк – соответственно индукция магнитного поля в области взаимодействия с электронным потоком и в области катода, Тк – физическая температура катода.Для связи с БЦВ электронного потока в приборах используются так называемые резонаторы Куччиа [5, 6], в которых угол пролета электроном емкостного зазора в несколько раз превышает 2π радиан. Индукция продольного магнитного поля должна быть такой, чтобы обеспечить равенство циклотронной частоты вращения электрона с собственной частотой резонатора, приблизительно совпадающей с частотой сигнала (рис. 2).

Рис. 3. Усилительная структура ЭСУ

Рис. 2. Резонатор Куччиа

Рис. 1. Функциональная схема ЭСУ и ЦЗУ

Подобные резонаторные устройства связи обеспечивают эффективную связь с БЦВ электронного потока, что можно объяснить равенством фазовых скоростей БЦВ и волны, возбуждаемой между пластинами, образующими емкостный зазор резонатора. Поскольку по всей длине емкостного зазора высокочастотное напряжение имеет практически одну фазу, можно полагать, что фазовая скорость электромагнитной волны, распространяющейся вдоль зазора, стремится к бесконечности. Такова же фазовая скорость БЦВ электронного потока при условии равенства циклотронной частоты и частоты сигнала.

Во входном резонаторе в поток вводится мощность сигнала, при этом возбуждается БЦВ сигнала. Одновременно из потока выводится БЦВ шума, возникающая на катоде (см. рис. 1). Хорошее согласование СВЧ-входа прибора с внешней линией обеспечивает более полное удаление БЦВ шума из потока и таким образом способствует снижению коэффициента шума.

Электростатическая усилительная структура ЭСУ (рис. 3) формирует плоскосимметричное пространственно-периодическое поле. Усиление амплитуды БЦВ в таком поле имеет место в том случае, если электрон за время одного циклотронного оборота проходит в продольном направлении расстояние, равное двум периодам усилительной структуры. Усиление БЦВ сопровождается возникновением связи между быстрой и медленной циклотронными волнами, а следовательно, происходит перекачка шумов из медленной циклотронной волны в быструю. По этой причине в ЭСУ для получения низкого коэффициента шума принципиально необходим повышенный уровень магнитного поля на катоде для "охлаждения" обеих циклотронных волн.

Для усиления сигнала в ЭСУ используется кинетическая энергия продольного движения луча, поэтому при увеличении амплитуды циклотронных колебаний электронов происходит уменьшение их продольной скорости и наступает рассинхронизм между циклотронным движением электронов и периодом поля усилительной структуры. Указанный механизм определяет границу линейного усиления в ЭСУ, при этом необходимо учитывать, что в усилительной структуре происходит увеличение полной вращательной энергии электронов, как обусловленной сигналом, так и тепловыми колебаниями каждого отдельного электрона.

В выходном резонаторе мощность БЦВ выводится из потока.

В ЦЗУ отсутствует усилительная структура, вместо нее установлена разделительная секция, которая так же, как и усилительная структура ЭСУ, обеспечивает развязку входа и выхода в режиме защиты.

Выше были описаны принципы работы ЭСУ и ЦЗУ в линейном режиме. Если же входная мощность превышает некоторый уровень (порядка единиц милливатт), то электронный поток полностью оседает во входном резонаторе, в результате чего нарушается связь между входом и выходом прибора. Резонаторы в отсутствие электронной нагрузки оказываются рассогласованными с внешней линией, при этом до 90% падающей СВЧ-мощности отражается от входного резонатора. На выход прибора СВЧ-мощность попадает лишь посредством излучения через щель для электронного луча, которая имеет запредельные размеры по отношению к длине волны электромагнитных колебаний.

Время перехода ЭСУ и ЦЗУ из режима защиты в линейный режим работы (~ 10 нс) определяется временем затухания СВЧ-колебаний в низкодобротном резонаторе и временем пролета электронов между резонаторами.

Усиление в ЦЗКУ обеспечивается малошумящим транзисторным усилителем, включенным на выходе ЦЗУ и оптимально согласованным с ним. На выходе ЭСУ также может включаться транзисторный усилитель для повышения коэффициента усиления.

1.                                                                              Основные параметры

1.1.                                                                       Электростатические усилители

Верхняя граница диапазона рабочих частот на сегодняшний день составляет 11-5-12 ГГц и определяется, прежде всего, тем, что на более высоких частотах ЭСУ теряют свою привлекательность по причине большой массы магнитной системы (масса всего прибора более 4 кг) и высокого коэффициента шума (более 4 дБ).

Коэффициент шума принципиальным образом зависит от степени охлаждения циклотронных волн в спадающем магнитном поле в области между катодом и входным резонатором. Следовательно, если уровень магнитного поля на катоде определяется свойствами современных магнитных материалов (1,5-5-2 Т), а в области взаимодействия – циклотронной частотой вращения электрона, то указанный перепад магнитного поля будет уменьшаться (а коэффициент шума расти) с увеличением рабочей частоты. Минимальную шумовую температуру ЭСУ можно оценить из соотношения (2) как шумовую температуру циклотронных волн, подставляя характерную для ЭСУ температуру катода Гк« 1000 К. Разработанные образцы ЭСУ имеют коэффициент шума 1,2-5-1,4 дБ в диапазоне частот 1-5-2 ГГц и 4 дБ в диапазоне 10-5-12 ГГц.

Указанный коэффициент шума характерен для рабочей полосы частот, в которой удается обеспечить достаточно хорошее согласование с внешней линией, определяемое электронной нагрузкой резонатора. В диапазоне частот l-s-З ГГц рабочая полоса частот составляет до 10%, в диапазоне частот 10-5-12 ГГц – до 4%.

Коэффициент усиления ЭСУ обычно равен 10-5-15 дБ при неравномерности в рабочей полосе частот не более 2-5-2,5 дБ. Коэффициент усиления ЭСУ может быть увеличен, но при этом возрастает его коэффициент шума. В данной ситуации наилучшим способом увеличения коэффициента усиления до 20-30 дБ является подключение к выходу ЭСУ малошумящего транзисторного усилителя, входящего в состав прибора. Такой прибор получил название "электростатический комбинированный усилитель" (ЭСКУ).

Один из важнейших параметров ЭСУ – верхняя граница линейности (по входной мощности) коэффициента усиления. В номинальном режиме работы ЭСУ линейны, по меньшей мере, до уровня входной мощности 1Т0"5Вт. Для расширения динамического диапазона в приборах используется режим выключения напряжения, прикладываемого между электродами усилительной структуры. В этом случае коэффициент электронного усиления ЭСУ становится равным единице, а верхняя граница линейности возрастает до (3-5)10 4 Вт.

Предельно допустимая входная мощность высокого уровня определяется электрической прочностью входного тракта ЭСУ и способностью прибора рассеивать тепловую мощность, поскольку, как указывалось выше, приблизительно 10% поступающей на вход прибора СВЧ-мощности превращается в тепловую. Типичные значения предельно допустимой СВЧ импульсной мощности составляют от 5 до 20 кВт в сантиметровом диапазоне длин волн при средней мощности до 300-500 Вт. В дециметровом диапазоне указанные значения могут достигать 120 кВт импульсной мощности при 2 кВт средней.

Развязка "вход-выход" в режиме защиты составляет 60-90 дБ в зависимости от диапазона частот. Время восстановления параметров после окончания мощного СВЧ-импульса – 10-20 нс.

Одно из важнейших качеств рассматриваемых приборов заключается в том, что на выходе ЭСУ (и ЦЗУ) отсутствуют пики просачивающейся мощности в общепринятом понимании этого термина. Пики мощности на выходе ЭСУ повторяют форму переднего или заднего фронтов мощного СВЧ-импульса, поступающего на вход прибора, и в соответствии с амплитудной характеристикой не превышают 10-20 мВт.

Приборы имеют конструкцию, пакетированную с магнитной системой на постоянных самарий-кобальтовых магнитах.

1.2.                                                                 Циклотронные защитные устройства

Современные малошумящие транзисторные усилители (МШУ) в диапазоне длин волн 3-4 см превосходят ЭСУ по коэффициенту шума. Это позволяет, отказавшись от усиления сигнала в ЭСУ, получить меньший суммарный коэффициент шума при использовании МШУ.

Геометрическая длина ЦЗУ значительно меньше, чем длина ЭСУ, поэтому магнитная система для ЦЗУ имеет существенно меньшую массу. В то же время, при меньшем зазоре между полюсами магнитной системы могут быть получены большие уровни магнитного поля и, таким образом, обеспечены условия для циклотронного резонанса на более высоких частотах. Экспериментально подтверждена возможность создания ЦЗУ в диапазоне длин волн до 8 мм. Верхняя граница линейности коэффициента передачи ЦЗУ выше, чем ЭСУ (до 1-5 мВт).

Наиболее важные параметры для защитных устройств – вносимое ослабление и шумовая температура – показаны на рис. 4 и 5 (центральная частота диапазона 8 ГГц). При этом необходимо учитывать, что шумовая температура ЦЗУ не эквивалентна вносимому ослаблению, так как в приборе присутствует шумящий электронный поток. Превышение полной шумовой температуры над той ее частью, которая соответствует вносимому ослаблению, представляет собой избыточную шумовую температуру.

3.                                                                        Защитные свойства ЦЗУ и ЭСУ идентичны. Относительно узкая полоса рабочих частот ЦЗУ (так же, как и ЭСУ) в определенных условиях является важным преимуществом, так как позволяет подавлять помехи, находящиеся вне полосы приема. Вносимое затухание на частотах, отстоящих от центральной на ±5% и далее (в диапазоне длин волн 3-4 см), превышает 30-40 дБ.Особенности применения

Рис. 6. Типичная схема включения ЭСУ и ЦЗУ в СВЧ-тракт РЛС

Рис. 4. Коэффициент передачи ЦЗУ в полосе частот

Рис. 5. Шумовая температура ЦЗУ в полосе частот

Уникальность ЭСУ и ЦЗУ заключается в том, что эти приборы обладают прекрасным набором параметров, необходимых для входного устройства современной радиолокационной системы. Они сочетают высокую чувствительность, амплитудную и фазовую линейность с надежной защитой последующих каскадов приемника от СВЧ-мощности высокого уровня при сверхмалом времени восстановления параметров.

На рис. 6 приведена типичная схема включения ЭСУ или ЦЗУ в СВЧ-тракт РЛС, из которой видно, что мощность высокого уровня, отраженная от входного резонатора, должна поступать через циркулятор в нагрузку. Фильтр в СВЧ-тракте для подавления помех вне рабочей полосы, как правило, отсутствует, что также способствует повышению чувствительности приемника.Литература

1.        Budzinsky Yu. A., Kantyuk S. P. A new class of self-protecting low-noise microwave amplifiers // Proc. IEEE MTT-S microwave symposium. Atlanta, USA. June 1993. Digest. V. 2. P. 1123.

2.        Будзинский Ю. А., Кантюк С. П. Электростатические усилители // Электронная техника. Сер. СВЧ-техника. 1993. Вып. 1.С. 21.

3.        Будзинский Ю. А., Быковский С. В., Кантюк С. П., Мастрюков М. А. Электронные приборы СВЧ на быстрой циклотронной волне электронного потока// Радиотехника. 1999. № 4. С. 32.

4.         Adler R., Wade G. Beam refrigeration by means of large magnetic fields // J. Appl. Phys. 1960. V. 31, № 7. P. 1201.

5.        Cuccia C. L. The electron coupler – a developmental tube for amplitude modulation and power control at UHF, pt. 1 // RCA Rev. 1949. V. 10, № 2. P. 270.

Dubravec V. Wellentheorie des Cuccia-kopplers //Arch. Electr. Ubertrag. 1964. B. 18, № 10. S. 585.

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