Маринин А. В., Румянцев С. А. Федеральне державне унітарне підприємство «НВП Исток» 141190, Московська область, м. Фрязіно, Вокзальна 2а, Росія Fax (095) 9749013: e-mail: istkor@elnet.msk.ru

Анотація – Розглянуто основні принципи побудови компактних багатопроменевих ЛБВ W-діапазону потужністю 10-50 Вт Запропоновані та досліджені конструкції замедляющей системи (ЗС), що погоджують пристроїв, багатопроменевої електронно-оптичної системи (МЕОС) для ЛБВ потужністю 20 Вт

I. Вступ

В останні роки помітно зріс інтерес до W-діапазону (75 -110 ГГц). Компактний підсилювальний прилад цього діапазону потужністю 10-50 Вт може знайти широке застосування в системах високоточної радіолокації, зв’язку, радіовіденія.

В даній роботі запропоновано і детально досліджена конструкція ЛБВ W-діапазону потужністю 20 Вт побудованої на модифікованій ЗС зустрічно-штирьового типу.

II. Основна частина

ЛБВ W-діапазону створені і розробляються в даний час побудовані на ЗС спірального типу [1], ланцюжку пов’язаних резонаторів (ЦСР) [2], що петляє хвилеводі [3]. Однак однолучевой схема ЕОС з каналом діаметром 0.2-0.3 мм обмежує робочий струм і змушує використовувати високі напруги (9-20 кВ). Застосування МЕОС дозволяє знизити напругу до 3-5 кВ, зменшити габарити і масу приладу. МЕОС традиційного типу з компактним розташуванням каналів круглого перерізу для розглянутого діапазону нетехнологічно. Більш перспективним видається побудова ЛБВ на МЕОС з стрічковими електронними потоками.

На рис. 1 приведена конструкція модифікованої ЗС зустрічно-штирьового типу, спроектованої для багатопроменевої ЛБВ. Розрахунок показує, що посилення 30 дБ і вихідна потужність 20 Вт в такий ЛБВ можуть бути досягнуті при довжині ЗС 12 мм. Амплітуда магнітного поля, необхідного для транспортування багатопроменевого стрічкового електронного потоку складає 0.5-0.6 Тл. Межполюс-ний зазор магніту з урахуванням неекранованої електронної гармати складає 18-20 мм, а маса магнітної системи 700-1000 м.

У таблиці 1 наведені основні параметри спроектованої ЛБВ та її аналогів.

III. Висновок

Створення низьковольтної малогабаритної ЛБВ W-діапазону може стати ключем до створення нового покоління апаратури цього діапазону.

Рис. 1. Уповільнююча система. Fig. 1. Slow wave system.

Таблиця 1.

Прилад

Пропонована

ЛБВ

ЛБВ [3]

Потужність, Вт

20

10

Напруга, В

3500

9000

Загальний струм, А

0,05

0,028

Смуга, ГГц

1

5

Число променів

3 стрічкових

1

Посилення

30 дБ

30 дБ

Маса магніту, г

700-1000

VI. Список літератури

[1] J. A. Dayton ін IVEC-2004 рр 84-85.

[2] Каталог Hughes.

[3] С. L. Cory ін IVEC-2004 рр 88-89.

W-RANGE COMPACT MULTIBEAM TWT

Marinin A. V., Rumyantsev S. A.

FSUE “RPC Istok"

Vokzalnaja 2a, 141190, Fryazino,

Moscow region, Russia Fax (095)9749013: e-mail: istkor@elnet.msk.ru

Abstract – The project of compact multibeam W-range TWT is presented. Main advantages of multibeam TWT design are discussed.

ПЕРСПЕКТИВНІ СПІРАЛЬНІ уповільнювався системою з алмазним тепловідводу для ПОТУЖНИХ ЛБВ

Галдецька А. В. ФГУП «НПП Исток» Вокзальна вул. д. 2а, Фрязіно – 141190, Росія Тел.: +7 (095) 465-8620; e-mail: galdetskiy@mail.ru

Анотація – Запропонована нова конструкція спіральної замедляющей системи, що поєднує відмінну тепловідвідні здатність з високим опором зв’язку в широкій смузі частот.

I. Вступ

Спіральні уповільнюють системи (СЗС) є першим і одним з найбільш поширених типів уповільнюють систем ЛБВ. Вони мають великий опір зв’язку і дуже широку робочу смугу частот. При цьому поперечні розміри СЗС виявляються помітно менше ніж у інших типів уповільнюють систем, що призводить до помітного скорочення габаритів і ваги магнітної системи і всієї лампи в цілому. Зазначені властивості привели до широкого використання СЗС в супутникових ЛБВ і багатьох наземних системах зв’язку. Одним із серйозних недоліків традиційної СЗС є її низька Тепловідвідна здатність, що обмежує вихідну потужність приладу в цілому. Спроби поліпшення теплопровідності СЗС шляхом використання паяних спіралей або використання опорних стержнів з окису берилію або алмаза приводили до істотного ускладнення технології та збільшення вартості приладу. Крім того результуючий ефект виявлявся менше очікуваного. Для опорних стержнів з алмазу це пов’язано, зокрема, з малою площею і великим тепловим опором області контакту спіралі з опорою. В роботі запропоновані нова конструкція і технологія виготовлення СЗС з використанням CVD алмазу.

II. Конструкція і спосіб виготовлення

Fig. 1. Design of a helix Sl/l/S with a diamond heat sink

Рис. 1. Конструкція СЗС з алмазним теплоотводом.

Провідник спіралі намотується на оправку із спіральною канавкою. Потім на цю конструкцію нарощується CVD алмаз за звичайною технологією. І нарешті оправлення стравливается травителем. Отримана СЗС показана на Рис. 1.

Вона має три основні особливості, що визначають її теплові та електродинамічні характеристики:

• Контакт між спіраллю і теплоотводом існує не в трьох майданчиках, а по всьому периметру спіралі.

• Завдяки вирощуванню алмаза безпосередньо на поверхні спіралі досягається ідеальний тепловий контакт між ними. Теплопровідність алмаза дуже висока.

• Потрібно виростити тонкий шар алмаза (-50 мкм) навіть при великій різниці радіусів спіралі і екрану, що зручно технологічно через низьку швидкості росту алмазу.

III. Характеристики СЗС

Ми зіставили розрахункові електродинамічні та теплові характеристики запропонованої СЗС з параметрами ЦСР, а також традиційних СЗС зі стрижнями з нітриду бору і алмазу. Всі уповільнюють системи мали діаметр каналу 1.3 мм, діаметр оболонки 3.2 мм (у ЦСР – 8 мм) і провідник спіралі з перетином 0.3×0.2 мм і кроком 0.7 мм. Параметри показані в табл.________________

Звичайні опори

Спіральна опора з алмазу

ЦСР

NB

ВЕО

Алмаз

Опір зв’язку, Ом

16

15

15.5

29

6

Тепловий опір на період ЗС, ° С / Вт

64

48.8

17

2.8

3.5

Межа погонною потужності розсіювання (АТ = 200 ° С), Вт / мм

4.5

5.1

16.8

102

57

Межа погонною потужності відводу від корпусу (при Ррас = 500 Вт / см2) Вт / мм

50

120

Звідси можна зробити наступні висновки:

• розглянута заст. система не є обмежуючим фактором для середньої потужності ЛБВ – межа ставить тепловідвід від корпусу лампи

• запропонована СЗС за всіма характеристиками перевершує параметри однолучевой ЦСР.

Порівняння характеристик розглянутої і нових зарубіжних СЗС [1, 2] також показало перевагу запропонованого рішення.

IV. Висновок

Переваги запропонованої ЗС базуються на:

• Високої теплопровідності алмаза

• Завідомо надійному тепловому контакті спіралі і діелектрика

• Великий площі контакту зі спіраллю – теплоотвод на порядок вище ніж в ЗС з опорами і вище ніж для ЦСР

• Опір зв’язку більше, ніж у ЗС з опорами завдяки малій діелектричної навантаженні

• Смуга частот типова для спіральної ЗС (до октави і вище)

• Надійність при першому включенні

• Компактність і мала вага, технологічність Запропонована конструкція СЗС фактично визначає новий клас ЛБВ. Маючи припустиму середню потужність вище, ніж у однопроменевих ЛБВ на ЦСР, а смугу і опір зв’язку вище, ніж у традиційних спіральних ламп, такі лампи здатні витіснити однопроменеві ЛБВ на ЦСР з більшості областей застосування останніх в міліметровому і короткохвильової частини сантиметрового діапазонів:

• ЛБВ для радіопротидії

• Зв’язкові супутникові ЛБВ

• Потужні міліметрові ЛБВ

і суттєво підвищити рівень параметрів цих систем.

V. Список літератури

[1] J. A. Dayton, Jr. G. Т. Mearini, Н. Chen. Diamond studded TWT. Proc. of 5th International vacuum electronics conference IVEC-2004, April 27-29, 2004, p.84-86.

[2]  C. Kory, L. Ives, M. Read et ai Novel TWT interaction circuits for high frequency applications. Proc. of 5th International vacuum electronics conference IVEC-2004, April 27- 29, 2004, p.51-52.

GROUNDBREAKING HELIX SLOW-WAVE STRUCTURES WITH DIAMOND HEAT SINKS FOR POWER TWTs

Galdetskiy A. V.

‘RPC Istok’ Federal State-Owned Unitary Enterprise,

2a Vokzalnaya St., Fryazino,

Moscow Region, Russia, 141190 phone: +7 (095) 4658620, e-mail: galdetskiy@mail.ru

Abstract – A new design of helical slow-wave structures is proposed offering excellent thermal properties and high interaction impedance over extensive bandwidths.

I.  Introduction

The helical slow-wave structure (HSWS) is the pioneering and prevailing type of slow-wave structures for traveling-wave tubes. It has a large interaction impedance over extensive bandwidths; its cross-section is significantly narrower compared to other SWS types, which results in decreased dimensions and weight of magnetic systems and tubes as a whole. These features have brought about widespread use of HSWS in satellite TWTs and numerous terrestrial communications systems. One of serious drawbacks found in conventional HSWSs is their low heat removal which limits tube output power. Attempts at improving heat removal by employing soldered helixes or support rods made of beryllium oxide or diamonds usually resulted in considerably complicated production processes and higher costs. Apart from that, the net effect was less than expected. For diamond support rods this is due in particular to the small surface and large thermal resistance in the area of helix contact with the rod. We propose new design and technology for manufacturing HSWS employing CVD diamonds.

II.  Design and manufacture technology

The wire is wound on a mandrel having a helical groove. A CVD diamond is subsequently grown on the structure, following

which the mandrel is etched by a selective etchant. The final structure is shown in Fig. 1.

It has three principal features that determine its thermal and electrodynamic properties:

•    Thermal contact between helix and heat sink exists not merely across three planes but over the whole helix perimeter.

•    Because of a CVD diamond grown directly on the helix surface a perfect thermal contact is achieved, since diamonds are noted for their high thermal conductivity.

•   A thin diamond layer (~50|jm) may be grown even for quite different radii of helix and casing, which is technologically convenient because of the low growth velocity of CVD diamonds.

III.  HSWS features

We have compared calculated thermal and electrical properties of proposed HSWSs to those of coupled-cavity SWSs and conventional HSWSs with support rods made of boron nitride and diamond. All SWSs have a channel diameter of 1,3mm, casing diameter of 3.2mm (8mm with coupled-cavity SWSs), helix pitch of 0.7mm and conductor cross-section of 0.3×0.2mm. The obtained data is summarized in the table below.

Support rods

Helical diamond support

Cou

pled

cavity

NB

BeO

Dia

mond

Interaction impedance, 0

16

15

15.5

29

6

Therm, resistance at SWS period, °C/W

64

48.8

17

2.8

3.5

Max. dissipated power removal (AT = 200°C), W/mm

4.5

5.1

16.8

102

57

Max. power removal at casing (at

Pcool = 500 W/cm2), W/mm

50

120

It is evident that the proposed HSWS does not limit the TWT average output power: limits are imposed by heat removal at the casing. Furthermore, the proposed HSWS outperforms the single-beam coupled-cavity SWS in all respects.

Comparison of the HSWS under consideration with several recent SWSs [1, 2] has also demonstrated advantages of the suggested approach.

IV.  Conclusion

Advantages of the proposed HSWS are based on the following:

•    High thermal conductivity of diamond;

•    Excellent thermal contact between helix and dielectric support;

•    Large surface area of contact: heat removal is one order of magnitude better than with conventional SWSs and even better compared to coupled-cavity SWSs;

•    Coupling impedance is higher in comparison with SWSs having supporting rods (due to low dielectric load);

•    Typical for SWSs bandwidth (up to octave and higher);

•    Reliability at first power-on;

•    Small dimensions and weight, good manufacturability.

The proposed HSWS design actually defines a new class of TWTs offering the average power higher than that of singlebeam coupled-cavity TWTs, while bandwidth and coupling impedance are better than with conventional helical tubes. These devices are capable of supplanting single-beam coupled-cavity TWTs in most of their applications in mm and SW cm bands, for example:

. ECM TWTs;

•    satellite TWTs;

•    high-power mm-wave TWTs;

while significantly enhancing performance of these systems.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології»