Исследование и разработка мощных широкополосных ЛБВ непрерывного действия сантиметрового диапазона длин волн на спиральных замедляющих системах

Для современного этапа развития радиоэлектронной аппаратуры сверхвысоких частот (СВЧ) и техники связи, в частности, характерным является жесткая конкуренция между твердотельными и электровакуумными приборами. Однако, несмотря на значительный прогресс в развитии твердотельной СВЧ электроники, область частот, превышающих 5 ГГц, в настоящее время остается практически недоступной для полупроводниковых приборов, особенно для уровней непрерывной (средней) мощности 50 Вт и выше [1,2].

Помимо чисто частотных и энергетических соображений немаловажным фактором, определяющим выбор элементной базы и принципов конструирования радиотехнических устройств, является учет таких условий эксплуатации, как устойчивость приборов к колебаниям температуры окружающей среды в пределах от -60°С до +85°С, их способность выдерживать кратковременные перегрузки электрического режима, достигающих 150−200% от номинальных значений и другие. Более высокая надежность при экстремальных условиях эксплуатации является одним из характерных достоинств электровакуумных приборов (ЭВП), используемых для генерирования и усиления СВЧ колебаний.

Успехи электровакуумной технологии, позволившие увеличить ресурс современных ЭВП, долговечность которых исчисляется годами непрерывной работы, не дают микроволновым твердотельным приборам безусловного преимущества и в этом вопросе.

Спиральные лампы бегущей волны (ЛБВ) нашли широкое распространение в радиоэлектронной аппаратуре СВЧ диапазона различного назначения. Эти приборы используются в тех случаях, когда необходимо сочетание значительной мощности, большой широкополосности, высокого коэффициента усиления и ряда других параметров [2−5]. Современные требования, предъявляемые к радиоэлектронной аппаратуре, привели к необходимости значительного увеличения выходной мощности спиральных ЛБВ с воздушным охлаждением, а также к обеспечению высоких значений параметров, влияющих на качество передаваемого сигнала (спектральная плотность мощности шума, АМ-ФМ преобразование, уровень комбинационных составляющих в многочастотном режиме и т. д.).

Исходя из вышеизложенного, проблема создания мощных высокоэффективных надежных спиральных ЛБВ, используемых в качестве выходных усилителей различной радиоэлектронной аппаратуры СВЧ диапазона, и в частности в станциях тропосферной и спутниковой связи, является актуальной в настоящее время.

Цель работы.

Целью настоящей работы является развитие методов проектирования мощных ЛБВ непрерывного действия сантиметрового диапазона длин волн, разработка базовой конструкции и технологии широкополосных приборов этого класса, обеспечивающих эффективное усиление СВЧ сигнала в полосе частот до октавы и выше, а также высокие значения параметров, влияющих на качество передаваемых сигналов.

Создание таких ЛБВ является сложной многоплановой научно-технической задачей. В данной диссертации рассматриваются вопросы исследования, проектирования и разработки конструкции и технологии изготовления широкополосных спиральных замедляющих систем сжатого типа с улучшенной теплорассеивающей способностью, а также результаты разработки мощных ЛБВ непрерывного действия и экспериментальных исследований их выходных параметров.

Для достижения поставленной цели в данной работе решались следующие задачи:

— Анализ существующих конструкций спиральных замедляющих систем, методов их закрепления в корпусе, способов расширения рабочей полосы спиральных ЛБВ для создания широкополосных приборов, методов оценки нелинейных искажений сложного сигнала в ЛБВ и способов их снижения.

— Обобщение дисперсионного уравнения для спиральной замедляющей системы с продольной проводимостью за счет применения металлокерамических опор, учитывающего форму и размеры проводника спирали. Сравнение результатов расчета и эксперимента.

— Разработка аналитического подхода для оценки уровня комбинационных составляющих Ш порядка, возникающих в ЛБВ при одновременном усилении двух сигналов с близкими частотами в квазилинейной области усиления. Проектирование, изготовление и исследование характеристик ЛБВ с низким уровнем нелинейных искажений, сравнение экспериментальных результатов и результатов расчетов.

— Разработка базовой конструкции и технологии широкополосной спиральной замедляющей системы сжатого типа с улучшенной теплопередачей от спирали и возможностью управления дисперсионной характеристикой. Проведение электродинамических и тепловых исследований на различных макетах замедляющих систем.

— Разработка конструкции и технологии мощной ЛБВ непрерывного действия для тропосферной и спутниковой связи. Изготовление образцов и исследование их характеристик в различных режимах работы.

— Исследование эксплуатационных характеристик мощных ЛБВ для выработки требований к источникам питания.

Научная новизна результатов диссертации:

1. Разработан принцип создания широкополосных спиральных замедляющих систем с улучшенной теплорассеивающей способностью по сравнению с другими конструкциями сжатого типа. Принцип основан на использовании неразъемных металлокерамических опор и «горячей посадке» в качестве метода закрепления замедляющей системы в вакуумной оболочке мощной ЛБВ. Применение такой конструкции замедляющей системы более чем в 2 раза снижает ее тепловое сопротивление и создает условия для разработки ЛБВ непрерывного действия, обеспечиваю4 тих выходную мощность до 450 — 700 Вт в сантиметровом диапазоне длин волн с полосой усиливаемых частот от 10% до 1,5 октав.

2. Развита методика расчета электродинамических параметров (коэффициента замедления и сопротивления связи) и получено дисперсионное уравнение для конструкции спиральных замедляющих систем мощных широкополосных ЛЕВ с комбинированными мегаллокерамическими опорами, учитывающее размеры и форму проводника спирали.

3. Получено на основе квазистационарного метода рассмотрения многочастотного сигнала аналитическое выражение, которое дает возможность проводить оценку уровня комбинационных составляющих Ш порядка, возникающих при одновременном усилении в ЛБВ двух сигналов с близкими частотами, при использовании одночастотных амплитудных и фазоамплитудных характеристик ЛБВ.

Практическая ценность результатов диссертации:

1. Разработана промышленная технология изготовления спиральной замедляющей системы с комбинированными метатлокерамическими опорами, закрепление которой в корпусе без внутренней трубки осуществляется методом «горячей посадки», для использования в мощных широкополосных ЛБВ непрерывного действия.

2. Разработана конструкция и технология изготовления металлокерамической комбинированной опоры, состоящей из диэлектрического стержня прямоугольног о сечения из бериллиевой керамики и медного держателя, которые соединены между собой методом термокомпрессионной сварки. Такие опоры одновременно выполняют функции элементов, создающих продольную проводимость в замедляющей системе, что позволяет управлять ее дисперсионной характеристикой для расширения рабочей полосы ЛБВ, а также улучшают теплопередачу от спирали за счет создания хорошего теплового контакта между керамическим стержнем и корпусом.

3. На основе проведенных исследований создана конструкция мощных ЛБВ непрерывного действия сантиметрового диапазона длин волн с воздушным принудительным охлаждением, предназначенных для использования в передающей аппаратуре станций тропосферной и спутниковой связи, образцы которых обеспечивают следующие выходные параметры: выходная мощность в рабочем диапазоне частот 330 Вткоэффициент усиления 50 дБполный КПД 35%- коэффициент АМ/ФМ преобразования 67дБотносительный уровень комбинационных составляющих III порядка, возникающих при одновременном усилении двух равных сигналов, частоты которых отличаются на 1−5МГц, при их суммарной мощности, отстоящей от режима насыщения на 10дБ — 28 дБотносительная спектральная плотность мощности шума, отстоящего на ± 100 Мгц от несущей -140 дБ.

Положения, выносимые на защиту:

1. Базовая конструкция и технология спиральных замедляющих систем с улучшенной теплопередачей от спирали, в которой использованы неразъемные ме-таллокерамические опоры и «горячая посадка» для закрепления системы в корпусе, позволяющая создавать мощные широкополосные ЛБВ с выходной мощностью до 450−700 Вт и полосой усиливаемых частот до 1,5 октав.

2. Полученное дисперсионное уравнение позволяет рассчитывать электродинамические параметры реальных широкополосных спиральных замедляющих систем с продольной проводимостью с точностью, достаточной для проектирования мощных ЛБВ, и учитывает при этом размеры элементов опоры, материал диэлектрика, форму и размеры проводника спирали.

3. Аналитическое выражение, полученное на основе применения квазистационарного метода для анализа сложных сигналов, дает возможность проводить оценку уровня комбинационных составляющих, возникающих в квазилинейном режиме работы ЛБВ, по одночастотным амплитудным и фазоамплитудным характеристикам прибора. Проведенные исследования показывают, что применение в выходной часта ЛБВ секции с двойным скачком фазовой скорости позволяет на несколько децибел снизить уровень нелинейных искажений по сравнению с ЛБВ, имеющей однородную спираль.

4. Разработанная базовая конструкция и технология изготовления мощных широкополосных ЛБВ непрерывного действия является основой для создания приборов этого класса, обладающих комплексом современных технических характеристик.

Объем диссертации.

Диссертационная работа изложена на 172 страницах, состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы, содержащей 74 наименования, в том числе 11 работ автора, и 54 рисунков.

4. 5. Выводы.

1. Разработана конструкция и изготовлены образцы мощных ЛБВ непрерывного действия сантиметрового диапазона длин волн, предназначенных для работы в аппаратуре связи. Исследованы выходные характеристики и параметры режима разработанных приборов. Разработанные приборы по своим выходным параметрам находятся на уровне лучших аналогов.

2. Предложена конструкция коаксиального вывода энергии со специальными теплоотводящими керамическими вставками, обеспечивающими эффективный теплоотвод от центрального проводника коаксиальной линии и значительно улучшающими тепловой режим последнего витка спирали, что повышает надежность прибора.

3. Обнаружено явление неполного отключения ЛБВ при размыкании цепи анода в случае использования единого источника питания замедляющей системы и анода и наличия сопротивления, шунтирующего межэлектродный промежуток катод-анод, величиной Rm=10−15 кОм, связанное с вторичной эмиссией с анода и появлением паразитной электронной проводило мостью между замедляющей системой и анодом. Для исключения этого негативного явления в данной конструкции ЛБВ увеличен на 10% диаметр анодного отверстия, введена высоковольтная тренировка прибора и ужесточена норма на величину тока анода.

4. Для обеспечения надежной работы прибора установлено требование к источнику питания первой секции коллектора. В случае использования не-стабилизированного источника питания его внутреннее сопротивление не должно превышать 5 кОм.

Заключение

.

1. Развита методика расчета дисперсионных характеристик для конструкции замедляющей системы широкополосных мощных ЛБВ с использованием комбинированных металлокерамических опор на основе решения дисперсионного уравнения для модели спирально-проводящего цилиндра с учетом конечных размеров и формы проводника, из которого изготовлена спираль. Получено удовлетворительное соответствие результатов расчета коэффициента замедления в широкой полосе частот с данными эксперимента при относительно малых величинах зазора между наружной поверхностью спирали и боковым металлическим ребром держателя комбинированной опоры.

2. На основе квазистационарного метода анализа сложных сигналов, получено аналитическое выражение для расчета относительного уровня комбинационных составляющих III порядка, возникающих при усилении в ЛБВ двух равных сигналов с близкими частотами в квазилинейном режиме, по одночастотным амплитудным и фазоамплитудным характеристикам прибора. Проведенное сравнение расчетных и экспериментальных результатов показало, что полученное аналитическое выражение дает возможность определять уровень комбинационных составляющих с точностью не хуже 5% в квазилинейной области.

3. Результаты проектирования ЛБВ с малыми нелинейными искажениями показали, что путем введения в выходную часть замедляющей системы спиральной ЛБВ секции с двойным скачком фазовой скорости, коэффициент замедления которой меньше, чем на остальной длине замедляющей системы и при этом параметр несинхронности меньше 0, можно снизить уровень комбинационных составляющих на выходе ЛБВ в квазилинейной области на несколько (2−3) дБ относительно уровня, возникающего в ЛБВ с однородной спиралью, при одинаковых мощностях электронного потока.

4. Разработана уникальная механизированная вакуумная установка для вставки высокочастотного блока ЛБВ в корпус методом «горячей посадки».

162 и промышленная технология осуществления этой исключительно важной операции для создания мощных ЛБВ со спиральными замедляющими системами сжатого типа.

5. Разработана базовая конструкция и технология изготовления спиральных замедляющих систем мощных ЛБВ, обеспечивающих как октавную и более рабочую полосу частот прибора, так и полосу частот, характерную для использования их в аппаратуре связи. В предложенной конструкции спираль совместно с металлокерамическими опорами вставляется в паяный корпус без внутренней трубки методом «горячей посадки».

6. Одновременное применение в разработанной конструкции комбинированных металлокерамических опор и «горячей посадки» приводит к снижению теплового сопротивления системы в 2−5 раза по сравнению с системами, в которых в качестве опор используются диэлектрические стержни из оксида бериллия круглого сечения. Проведенная оценка показывает, что величина максимальной мощности на выходе ЛБВ при использовании конструкции ЗС с комбинированными опорами, установленной в корпус методом «горячей посадки», будет составлять 700Вт в средней части сантиметрового диапазона и 450Вт в его коротковолновой части.

7. Проведенные исследования вакуумного состояния прибора показали, что применение пайки корпуса замедляющей системы, в конструкции которой отсутствует внутренняя трубка, в вакууме приводит к значительному (примерно на порядок) снижению давления остаточных газов в ЛБВ в процессе ее пролеживания в нерабочем состоянии по сравнению с применением пайки в среде водорода. Использование этой технологии пайки корпуса благоприятно сказывается на надежности прибора.

8. Разработана конструкция и изготовлены образцы мощных ЛБВ непрерывного действия сантиметрового диапазона длин волн, предназначенных для работы в аппаратуре связи. Исследованы выходные характеристики и параметры режима разработанных приборов.

Образцы этих ЛБВ имеют следующие основные параметры:

Наименование параметра.

Выходная мощность, Вт 330.

Коэффициент усиления в диапазоне частот при постоянном входном сигнале, дБ 47.

КПД,% 34.

Коэффициент АМ-ФМ преобразования, град<�дБ 6,0.

Относительная спектральная плотность мощности шума при отстройке от несущей на ±100 Мгц, дБГц -140.

Относительный уровень побочных колебаний, дБ: — вторая гармоника — третья гармоника -13 -22.

Относительный уровень комбинационных составляющих III порядка при усилении двух равных сигналов с выходной мощностью Рвых1^Рвых2=35 Вт, дБ -23.

Максимальное напряжение, В 6500.

Ток катода, мА 300.

Тип охлаждения воздушное принудительное.

Масса, кГ 6,0.

По уровню параметров образцы разработанных ЛБВ, предназначенных для использования в аппаратуре связи, находятся на уровне зарубежных аналогов.

9. Обнаружено явление неполного отключения ЛБВ при размыкании цепи анода в случае использования единого источника питания замедляющей системы и анода и при наличии шунтирующего промежуток катод-анод сопротивления величиной Rm=10−15 МОм. Это связано с вторичной эмиссией с анода и появлением паразитной электронной проводимости между замедляющей системой и анодом. Разработаны конструктивно-технологические решения, исключающие появление этого негативного явления.

10. На основе проведенных исследований сформулировано требование к источнику питания первой секции коллектора, обеспечивающее надежную работу мощной ЛБВ с двухступенчатым коллектором. Выработаны практические рекомендации к величине внутреннего сопротивления нестабили-зированного источника питания первой секции коллектора.

11. Исследования показали, что полученные аналитические выражения обеспечивают проведение численного моделирования с точностью, необходимой для проектирования ЛБВ различного назначения, что позволяет значительно сократить объем весьма дорогостоящих натурных экспериментов.

12. В результате проведенных исследований предложены принципы конструирования мощных ЛБВ непрерывного действия сантиметрового диапазона длин волн различного назначения, найдены и рекомендованы технологические решения и их реализация в конкретных ЛБВ. Это позволяет проводить последующие опытно-конструкторские работы по созданию приборов этого класса, опираясь на достаточно апробированные, подтвержденные практикой технические решения.