63322 (Усилитель мощности миллиметрового диапазона длин волн), страница 2

Высокая эффективность энергообмена в пространстве взаимодействия, низкие потери СВЧ-мощности в ЗС и удобный для многоступенчатого рекуперирования спектр энергий электронов в электронном потоке на входе в коллектор при применении новых конструкций спиральных ЗС позволили увеличить электронный КПД в средней части сантиметрового диапазона до 30... 36% , а технический КПД ЛБВ с трехступенчатым коллектором электронов - до 56%. При этом были улучшены и другие параметры, влияющие на качество выходного сигнала усилителя [4]:

относительный уровень выходной мощности на частоте второй гармоники снизился до минус 25 дБ, максимальное значение коэффициента амплитудно-фазовых преобразований при изменении входных мощностей от нулевой до входной мощности, соответствующей режиму насыщения, уменьшилось до 6 град/дБ.

Полученные данные позволили сделать вывод, что в ЛБВ с электронным КПД более 30% при сопровождении электронного потока в периодических магнитных полях может быть достигнуто токопрохождение на коллектор в динамическом режиме более 97%. Увеличение электронного КПД привело к уменьшению удельного токоотбора с поверхности катода и увеличению долговечности ЛБВ [A2]. Последующее увеличение долговечности до 100 тыс ч и более стало возможным после разработки специальных технологических процессов, методов контроля качества, обеспечивающих производство основных узлов ЛБВ повышенной надежности металлокерамических, катодных, ЗС, узлов связи и МПФС.

Основные электрические параметры ряда приборов:

Рвых - выходная мощность на частоте первой гармоники,

Ky - коэффициент усиления,

I 0 -ток катода (суммарный ток электродов),

N - количество ступеней коллектора.

М - масса,

Д - долговечность,

Они приведены в таблице 1.2. В ней представлены данные из технических условий, которые, как правило, обеспечиваются конструкциями и технологией с большими производственными запасами. Результаты разработки образцов ЛБВ с КПД 60% и долговечностью 150...200 тыс. ч

Выполненные. исследования показали возможность создания и освоения производства ЛБВ средней мощности сантиметрового диапазона с долговечностью 150... 200 тыс. ч и КПД более 60% . Важнейшее условие обеспечения работы ЛБВ в течение 200 тыс. ч. - повышение эмиссионной долговечности катода. Необходимая эмиссионная долговечность достигается в двухкамерных металлопористых катодах при плотности токоотбора с эмитирующей поверхности до 1 А/см2.

В результате первой серии испытаний экспериментальных образцов ЛБВ нового поколения было обнаружено, что после наработки более 100 тыс. ч могут возникать отказы приборов из-за снижения поверхностного сопротивления керамических деталей металлокерамических узлов электронной пушки, а после наработки 100... 150 тыс. ч среди приборов с большой токовой нагрузкой на ЗС могут возникать отказы по снижению выходной мощности.

Таблица 1.2- Параметры ЛБВ

Снижение поверхностного сопротивления керамических деталей в электронной пушке связано с накоплением на их поверхности проводящих материалов, испаряющихся с нагретых поверхностей катода. Для устранения этого эффекта разработаны электронные пушки, в которых керамические детали защищены экранами от попадания на них испарившихся с катода материалов. Надежность этих пушек подтверждена испытаниями, проведенными по методике ускоренных испытаний в специальных режимах в течение времени, эквивалентного наработке более 300 тыс. ч.

Механизм снижения выходной мощности также связан с переносом вещества с поверхности нагретых частей спирали на диэлектрические опоры ЗС. При незначительных тепловых нагрузках на спираль время, в течение которого могут быть обнаружены негативные последствия для ЗС со спиралью из МАГТ-0,2, превышает 1 млн. ч. В противном случае это время может сокращаться в зависимости от температуры спирали в десятки и более раз. Возрастание СВЧ-потерь в результате металлизации диэлектрических опор приводит к увеличению тепловой нагрузки на спираль и увеличивает скорость деградации параметров такой ЛБВ [A3].

Добиться необходимого уменьшения скорости переноса вещества с поверхности спирали на опоры ЗС можно улучшением теплоотвода от спирали ЗС и уменьшением токовой нагрузки на спираль. В разрабатываемых ЛБВ улучшение теплоотвода достигается применением деталей из материалов с высокой теплопроводностью, например медных оболочек ЗС , и применением пластичных материалов для создания необходимых тепловых контактов в местах сопряжения теплоотводящих элементов конструкции. Уменьшение токовой нагрузки, как следует из анализа токопрохождения в ЛБВ с электронным КПД более 30%, возможно за счет улучшения токопрохождения в статическом режиме и уменьшения тока, возвращенного из коллекторов. Такая работа была выполнена на основе метода конечных элементов при моделировании электронного потока в аксиально-симметричных узлах ЛБВ .

Разработанные ЛБВ средней мощности сантиметрового диапазона отличаются высоким техническим уровнем, КПД различных типов ЛБВ принимают значения 45... 55 % , а долговечность достигает 100 тыс. ч. Указанные значения КПД получены при использовании ЗС с = 0.8...0,9 и малыми СВЧ-потерями, долговечность ЛБВ обеспечивается надежностью конструкций узлов и особенностями технологии, включающей специальные методики прогнозирования их надежности и ресурса. Исследованы пути увеличения КПД ЛБВ до 60% и долговечности до 200 тыс. ч. Разработаны и испытаны образцы ЛБВ с КПД 60... 64% и долговечностью более 150 тыс. ч

Первые разработки спиральных ЛБВ с шириной полосы более октавы позволили определить, что главным препятствием по расширению полосы рабочих частот является взаимодействие на частотах, кратных частоте основного сигнала (высших гармонических составляющих (ВГС)). В результате многочисленных исследований было установлено, что все многообразие средств подавления ВГС, причем с достаточно эффективной передачей их энергии основному сигналу, реализуется. с помощью единственного метода - метода компенсации . Он заключается в том, что на входе или в пространстве взаимодействия самой ЛБВ формируется сигнал, насыщенный гармониками. противофазными гармоникам, образующимся в результате нелинейного взаимодействия по основному сигналу [5].

Наиболее просто он реализуется в усилительных цепочках на ЛБВ, в которых между каскадами устанавливается так называемый фазовый компенсатор (отрезок длинной линии с максимально крутой дисперсией), который изменяет фазовый сдвиг между основным сигналом и его гармониками на необходимую величину (как правило, от 90 до 180°). Для повышения устойчивости цепочки между каскадами фазовый компенсатор может быть совмещен с ЛБВ-вентилем. основанным на взаимодействии отраженного СВЧ-сигнала с быстрой волной пространственного заряда. Именно такое построение усилителя позволило впервые достичь уровня мощности порядка 1 кВт в диапазоне 1.8 ГГц с мгновенной полосой частот до 1,5...2 октав.

Для осуществления метода компенсации в одной ЛБВ необходимо обеспечить определенные условия взаимодействия широкополосной ЛБВ.Выбор параметров выходного участка пространства взаимодействия является главной задачей при проектировании широкополосной ЛБВ, поскольку именно он определяет выходную мощность и КПД, уровень нелинейных искажений и ВГС. Наконец, от выбранной модели подавления гармоник и передачи их энергии полю основного сигнала определяются требования и к другим участкам прибора. Характерны два варианта энергообмена между ВГС и основным сигналом:

первый - при равенстве фазовых скоростей возмущенных волн поля на частотах первой и, как правило, второй гармоник, что соответствует слабой нормальной дисперсии ;

второй - когда эти скорости существенно различаются (большая нормальная дисперсия и нулевая или аномальная дисперсия). В первом случае для реализации процесса компенсации необходимо создать специальный компенсирующий сигнал; во втором по мере изменения по длине фазовых соотношений (из-за упомянутой выше разности скоростей) гармоники автоматически попадают в фазу оптимального энергообмена с основным сигналом.

Вместе с тем высокий уровень гармоник в слабонелинейном режиме, повышенная неравномерность амплитудно-частотной характеристики, обусловленная скачком фазы поля, показывают, что этот метод сложен для реализации в сверхширокополосных ЛБВ .

Оптимизация пространства взаимодействия велась в октавном диапазоне: в результате технический КПД при одноступенчатой рекуперации превысил 30%, а уровень ВГС в режиме насыщения уменьшился до 10 Дб.

Коэффициент усиления и собственные шумы широкополосных ЛБВ

Одним из главных ограничений коэффициента усиления в широкополосных ЛБВ является требование минимизации уровня собственных шумов в рабочей полосе частот. Эти два параметра связаны известным соотношением

(1)

где Рш - интегральный шум в рабочей полосе ( );