А. П. Сухоруков, А. В. Шелудченко Московський державний університет ім. М. В. Ломоносова

Експериментальні та теоретичні дослідження потужних гіроусілітелей міліметрового діапазону довжин хвиль показали, що досягненню високих енергетичних характеристик заважає нестійкість, що розвивається в інтенсивному гвинтовому електронному потоці (ЗЕП) з підвищенням струму катода /0 або питч-фактора g = v ± / v \\. В роботі [1] аналітично і чисельно досліджені сценарії розвитку нестійкостей в ЗЕП. Показано, що при підвищенні струму катода збільшується розкид поперечних швидкостей електронів і ” провисання ” потенціалу в електронному потоці. Дані фактори сприяють зростанню числа захоплених в магнітну пастку “повільних” (з низькими дрейфовими і високими осциляторний швидкостями) електронів. При подальшому підвищенні струму пучка в предрезонаторной області виникає сильна високочастотна нестійкість і зрив робочого режиму гіропріборов.

Для підвищення стійкості в предрезонаторной області зазвичай розташовують омические поглиначі або застосовують альтернативні методи запобігання самозбудження [2]. У роботі наведені результати експериментального дослідження впливу різних типів нестійкостей в ЗЕП на спектральні характеристики вихідного випромінювання гіроклістрона і запропонований ефективний електродинамічний спосіб придушення МЦР-Гераці.

Спектральний склад вихідного випромінювання

При невеликих значеннях питч-фактора g = Vj_ / vjj <1,2 в ЗЕП присутні біжать в азимутному напрямку хвилі, що виникають в магнетрона-інжекторной гарматі (МІП) і призводять до низькочастотного когерентному випромінюванню слабкої інтенсивності з частотою f \ = 200-300 МГц [3]. Експериментально підтвердилася залежність частоти від електричного і магнітного поля на катоді. Ці коливання погіршують відношення сигнал / шум, однак практично не позначаються на вихідних енергетичних характеристиках приладу. З ростом вихідної потужності інтенсивність цих компонент знижується до -60 дБ відносно несучої і більше.

При подальшому підвищенні питч-фактора до g = 1,2 у вхідному ділянці електродинамічної системи (включаючи трубу дрейфу і область компресії) виникає інтенсивна генерація МЦР-типу, яка пригнічує корисний сигнал на 20-40 дБ, не дозволяючи вийти на режим насичення по g з максимальним ККД. Самозбудження МЦР-типу спостерігалося як на робочому типі коливань ТІ0, Ь так і на хвилі ΤΕ2)ι. Практично одночасно з цим (в інтервалі g = 1,0-1,3) в спектрі вихідного сигналу з’являються бічні смуги, віддалені від основної на величину ^ = 30-50 МГц. Зі збільшенням питч-фактора вони набувають шумовий характер. Своїм виникненням вони зобов’язані поздовжнім коливанням просторового заряду захоплених в магнітній пастці повільних електронів. Період коливань приблизно збігається з часом прольоту електронів від катода до “полки” магнітного поля. Шумовий характер пояснюється наявністю різних по поздовжній швидкості груп електронов.Дальнейшее підвищення питч-фактора до g = 1,7-2,0 призводить до хаотизации коливань і виникнення потужного некогерентного випромінювання в смузі Af = 150-250 МГц. Внаслідок цього відбувається повне руйнування просторової структури ЗЕП і глибоке придушення корисного сигналу.

Рис. 1. Норми помехоеміссіі і спектр випромінюваних гіроклістроном перешкод в нормованому діапазоні частот.

Будь-яке технічний засіб (установка), що використовується в промислових, наукових, медичних чи побутових цілях, повинно відповідати нормам, обмежуючим емісію електромагнітних завад в ефір і мережі живлення. У Росії ці норми встановлені ГОСТом 23450-79 [4]. За кордоном питаннями нормування та контролю за випромінюванням електромагнітних завад займаються такі організації, як FCC (Федеральна комісія зв’язку, США), МЕК та ін.

Існуючі в ЗЕП коливання і хвилі приводять до інтенсивного випромінювання електромагнітних завад через керамічні ізолятори катодного вузла приладу. Нами були проведені вимірювання напруженості поля електромагнітних перешкод, випромінюваних 2,5 кВт гіроклістроном 3-міліметрового діапазону в нормованому діапазоні частот. Результати вимірювань представлені на рис. 1. Видно, що рівень індустріальних перешкод перевищує допустимі норми на 30-35 дБ. Більш того, спектр перешкод потрапляє в заради телемовні діапазони і може створювати серйозні перешкоди приемопередающим технічним засобам.

Електродинамічний спосіб придушення самозбудження

Для ефективного придушення самозбудження досліджено процес трансформації падаючої хвилі на випадково розташованих неоднородностях на стінці надрозмірні хвилеводу. Даний процес модового перетворення супроводжується перекачуванням енергії падаючої хвилі в моди “шепоче галереї”, поле яких сильно притиснуто до стінок. Таким чином, в такий електродинамічної структурі імітується відкритий простір, в якому відсутня позитивний зворотний зв’язок, обумовлена ​​відображенням електромагнітної хвилі від стінок хвилеводу [5].

Процес модового перетворення електромагнітної хвилі супроводжується швидким притисненням поля до стінок хвилеводу в результаті перекачування енергії в хвилі з великими азимутними індексами, що різко знижує ефективність взаємодії з електронним потоком і сприяє швидкій диссипации електромагнітної енергії в поглинає покритті на стінках хвилеводу.

В результаті застосування пристроїв, що працюють на перерахованих принципах, реалізуються одночасно 4 механізму, що перешкоджають виникненню самозбудження гіроусілітеля: падіння опору зв’язку за рахунок зростання обсягу, зайнятого електромагнітним полем; перерозподіл енергії електромагнітного поля між типами коливань, що супроводжується притисненням поля до стінок; зростання дисипативних властивостей системи незалежно від величини омических втрат в стінках; порушення умови фазового синхронізму між пучком і полем на будь-якій ділянці, багато меншому геометричній довжини електродинамічної системи.

Рис. 2. Виникнення генерації в модернізованому (а) і базовому (б) приладах 1 – вихідна потужність, 2 – токседаніе на 1-му аноді.

Таким чином, пропонована система являє собою добре узгоджений, надрозмірні, ефективний СВЧ-поглотель, який є широкосмуговим як за частотою, так і за типами хвиль.

Після застосування описаного пристрою в модифікованих лампах вдалося придушити паразитне самозбудження, збільшити вихідну потужність і ККД підсилювача без самозбудження (рис. 2) і, що найважливіше, знизити рівень випромінюваних індустріальних перешкод до нормованих значень.

Література

1.        Цімрінг Ш. Е. Проблеми нестійкості гвинтових електронних пучків в гіротронах // Лекції з електроніки НВЧ і радіофізики: 9-я зимова школа-семінар, СГУ. 1993. С. 11-19.

2.        Pedrozzi М., Alberti S., Hogge J. Р., Tran М. Q., Tran T M. Eletron beam instabilities in gyrotron beam tunnels // Phys. Plasmas. June 1998. V. 5, № 6. P. 2421-2430.

3.        Korolev F., Sukhorukov A. P., Sheludchenkov A. V. Investigation of nonstability of the annular electron beam in the gyroamplifier // Journal of communication, technology & electronics. 2000. V. 45. Supplementary issue 1.

4.        ГОСТ 23450-79. Радіоперешкоди індустріальні від промислових, наукових, медичних та побутових високочастотних установок. Норми і методи вимірювань. М., 1990.

Корольов А. Ф., Полежаєв В. А., Сухоруков А. П., Шелудченко А. В. Електродинамічне спосіб придушення самозбудження в гіротронном підсилювачі // Електромагнітні хвилі & електронні системи. 2000, № 3.

Джерело: ВАКУУМНА СВЧ ЕЛЕКТРОНІКА: Збірник оглядів. – Нижній Новгород: Інститут прикладної фізики РАН, 2002. – 160 с.