Г. В. Рувинский, О. Н. Аристархова, Е. А. Котюргін, А. С. Побєдоносцев

ДНВП “Істок”, Фрязіно

Розробка і випуск потужних ЛБХ сантиметрового діапазону в ДНВП “Істок” почалися більше 40 років тому. У таблиці наведено параметри приладів, що характеризують напрямки розвитку потужних ЛБХ. Перші двадцять років розроблялися прилади з замедляющей системою на ланцюжку пов’язаних резонаторів (ЦСР), так звана система “диафрагмированного хвилевід“.

На початку 80-х років почалися перші розробки приладів з замедляющей системою на зустрічних штирях.

Схематичне зображення діафрагми з штирьовою системою дано на рис. 1.

Основна перевага зустрічних штирів в порівнянні з ЦСР – зменшення діаметра робочої області діафрагми більш ніж в два рази. Ця перевага особливо помітно в довгохвильовій і средневолновой частини сантиметрового діапазону довжин хвиль. Наприклад, діаметр діафрагми приладу з потужністю 1,5 кВт в діапазоні частот 4,0 + 4,5 ГГц на ЦСР становить 26,5 мм, на зустрічних штирях – 11 мм. У діапазоні частот 6 ГГц – відповідно 22 і 11 мм. Крім значного зменшення масогабаритних характеристик (зокрема, маса приладу 4-см діапазону зменшилася з 19 до 9 кг), значно спростилося забезпечення заданого магнітного поля. Для фокусування електронного променя потужних приладів за допомогою магнітної періодичної фокусує системи (МПФС) часто потрібно забезпечити магнітне поле більше 0,2 Т. Для цього в замедляющей системі на ЦСР доводиться частина діафрагм виготовляти з магнітомягкого заліза, що призводить до виникнення цілого ряду технічних проблем: забезпечення необхідних товщин стінок між діафрагмами для виключення магнітного насичення в них; забезпечення необхідного тепловідведення в цих діафрагмах (зокрема, доводиться діаметр пролітної каналу в залізних діафрагмах робити більше, ніж в мідних діафрагмах); необхідні додаткове меднение і ряд інших конструкторсько-технологічних рішень. У замедляющей системі на зустрічних штирях залізо не виходить в робочу область.

Слід підкреслити ще одна перевага системи зустрічних штирів: більш стійкий режим роботи поблизу 2я-виду, т. Е. На частотах, на яких різниця фаз електромагнітної хвилі на одну клітинку замедляющей системи близька до 2π. Опір зв’язку сповільнює системи на ЦСР і зустрічних штирів поблизу π-виду поводиться приблизно однаково (рис. 2), а поблизу 2я-виду опір зв’язку зустрічних штирів близько до нуля. Тому ймовірність самозбудження на відповідних частотах значно меньше.Параметри ЛБХ, що випускаються ΓΗΙ111 “Істок1

Найменування приладу

Діапазон частот,

ГГц

Смуга робочих частот,

МГц

Вихідна імпульсна потужність, кВт

Коефіцієнт заповнення,

%

Вид сповільнює системи

Коефіцієнт підсилення, дБ

Напруга сповільнює системи, кВ

Струм катода,

А

Модулюючий напруга,

В

Вид магнітної фокусування

Маса, кг

УВ-309

5,7-6,3

600

1,5 (непр.)

100

ВШ

>30

10,5

1,0

МПФС

7

УВ-311

4,4-4,75

350

1,6 (непр.)

100

ВШ

>30

10,5

1,0

МПФС

8

УВ-326

7,9-8,4

500

1,5 (непр.)

100

ВШ

>36

10,5

1,0

МПФС

6

У В-25-1

8-10

2000

> 1,0 (непр.)

100

ЦСР

23

11,0

0,9

соленоїд

2,5

УВИ-113

9,2-9,7

500

>0,3

25

ВШ

45

8,4

0,3

-800±0

МПФС

3

УВИ-114

9,2-9,7

500

4,5

25

ЦСР

12

8,4

2,5

-800

пост. магн.

6

УВИ-21-2

3 см

700

2,5 к.н.

50

ВШ

30

16

1,0

ан. мод.

МПФС

5

УВИ-25-8

2 см

500

дек. од.

3,0

ВШ

43

24

1,2

-2300+0

МПФС

5

УВИ-24-4

2 см

500

дек. дес.

3,0

ЦСР

12

24

4,5

-2300

пост. магн.

8,5

УВИ-25-5

9,2-9,9

700

7

10,0

ВШ

40

18

2,0

350+300

МПФС

5

УВИ-25-6

16,5-17

500

10

7,0

ЦСР

40

29

2,0

450+300

МПФС

5

УВ-21-7

5,7-8,4

2700

>1,0

100

спіраль

>3,6

12

0,6

МПФС

7

УВИ-25-8

9-9,8

800

>8,0

ВШ

40

<17

2,5

соленоїд

30

У процесі розробки ЛЕВ на задані параметри в замедляющей системі на зустрічних штирях існує більше ступенів свободи для формування необхідної дисперсионной характеристики, ніж в замедляющей системі на ЦСР. Наприклад, варіація довжини і ширини штиря, введення додаткового ємнісного “козирка”, варіація кута розташування штирів і т. Д. У більшості приладів, наведених у таблиці, застосовані різні варіації штирьових уповільнюють систем.

Рис. 2. Залежність опору зв’язку сповільнює системи та зустрічних штирів від величини фазового зсуву.

Залишається розглянути питання про максимальні теплових навантаженнях в замедляющей системі на зустрічних штирях, т. Е. Про граничні значеннях безперервних (середніх) потужностей, що знімаються в навантаження. В ДНВП “Істок” розроблені прилади 1,5-2,5 кВт безперервного і квазінепереривних режимів роботи в різних частотних діапазонах. Очевидно, що кількість тепла, яке здатний відвести штир, залежить від довжини і ширини штиря. Це, безумовно, слід враховувати при конструюванні. У приладах, розрахованих на більш високу напругу (великі вихідні потужності), штир має меншу довжину, зростає тепловідвід. Отже, гранично допустимі середні вихідні потужності при досить великих імпульсних потужностях можуть бути вище, ніж безперервні потужності. Ми вважаємо, що середня допустима вихідна потужність може досягати 5 кВт при МПФС і 10 кВт при фокусуванні за допомогою соленоїда.

Рис. 3. Дисперсійні характеристики сповільнює системи приладу 3-см діапазону довжин хвиль: 1 – експериментальні; 2 – розрахункові.

Наступною особливістю розроблених і розроблюваних ЛЕВ в ДНВП “Исток” є вибір режиму роботи приладу поблизу π-виду на дисперсионной характеристиці (рис. 3). Фазовий зсув між осередками системи на нижній межі робочої смуги становить 1,1 π. Привабливість роботи в цій галузі полягає в наступному.

По-перше, досить великі значення опору зв’язку. Це дозволяє забезпечувати необхідні величини ККД і коефіцієнта посилення. По-друге, і це головне, забезпечення стійкої роботи приладу без самозбудження. Проілюструємо це рис. 2. Якщо прилад працює в області найбільшого опору зв’язку, то ймовірність самозбудження на частотах, де опір зв’язку мало, стає незначною. Це дозволяє знизити вимоги до узгодження поглиначів з замедляющей системою і замедляющей системою з висновками енергії за межами робочої смуги частот.

До недоліків роботи поблизу π-виду можна віднести збільшення трудомісткості налаштування приладу в області найбільшого перепаду опору зв’язку сповільнює системи.

Через значне зміни коефіцієнта уповільнення і опору зв’язку в розглянутій області зростає перепад коефіцієнта посилення в заданій смузі частот. Так, наприклад, в ЛЕВ з двосекційний замедляющей системою і смугою робочих частот 9% перепад коефіцієнта посилення в режимі насичення досягає 18-Ξ-20 дБ (при заданому постійному рівні вихідної потужності). Проблему зниження цих значень до 3-5 дБ ми вирішуємо за допомогою створення 3-секційної сповільнює системи з пригніченою середньої секцією і вибором робочої напруги сповільнює системи, відповідного оптимального значення на частоті з мінімальним коефіцієнтом посилення.

Аналіз вітчизняних і зарубіжних вимог до робочих смугах потужних ЛБХ показав, що найбільш поширена смуга робочих частот потужних ЛБХ на ЦСР становить 5 00-г700 МГц. Ці значення забезпечуються приладами, що працюють поблизу π-виду дисперсионной характеристики.

Одним з напрямків забезпечення великих вихідних імпульсних потужностей ЛБХ (від декількох десятків кВт і вище) при відносно низьких живлять напругах в ДНВП “Істок” є створення ланцюжка з 2 ЛБХ. В якості вихідного каскаду вибирається багатопроменева, коротка без поглинача, так звана “прозора” ЛБХ з коефіцієнтом посилення близько 12 дБ, а в якості вхідного каскаду розробляється однопроменева ЛБХ з коефіцієнтом посилення порядку 45 дБ. Загальний ККД такого ланцюжка з одноступеневою рекуперацією становить 30-35%.

Перевагою побудови “цепочечного” варіанту підсилювача потужності є можливість дво більш режимної роботи по вихідної потужності без істотної втрати ККД; а також при створенні підсилювача потужності на 50-І00 кВт імпульсної потужності і вище з відносно широкою смугою і високим ККД. Значно, більш ніж у 1,5 рази, знижується необхідну прискорює напруга (аналогічне перевагу як і в багатопроменевих клістронах). З’являється можливість здійснювати харчування вхідного і вихідного каскадів від одного джерела живлення.

Вихідний каскад такого ланцюжка армується з постійними магнітами, а вхідний каскад – з МПФС. При створенні потужної монолампи часто доводиться йти на фокусування електронного променя за допомогою соленоїда, що знижує мобільність такої системи. У таблиці представлені два варіанти такого “цепочечного” побудови підсилювача.

В ДНВП “Істок” при створенні потужних імпульсних ЛБХ застосовуються два методи модуляції електронного променя.

Найбільш поширеним є метод “штир-кільце”, конструкція якого представляє порожнистий катод з проходять через нього керуючим електродом (УЕ) (“штирем”), сполученим з кільцевим фокусирующим електродом. Напруга УЕ в паузі між імпульсами (негативне щодо катода) становить 7 ^ -10% від прискорює напруги; під час імпульсу напруга УЕ дорівнює приблизно напрузі катода. Така конструкція електронної гармати надійна в експлуатації при високих вимогах до впливу зовнішніх механічних факторів і довговічності. В останні роки проведені і проводяться розробки потужних ЛБХ з низьковольтним сітковим керуванням (приклади вказані в таблиці). У 3-сантиметровому діапазоні довжин хвиль в приладі з вихідною імпульсною потужністю 7 кВт і первеансом електронного променя 0,83 10 “6 А / В3/2 отримано токопрохождения 92% в режимі насичення, струм керуючої сітки не перевищує 2 мА.

Технологія виготовлення електронної гармати для такого приладу передбачає:

виготовлення сіток методами штампування і електроіскровий обробки, застосування високопластичний фольги молібдену для сіток, покриття сіток антіеміссіонним матеріалом (гафнієм), прийняття конструктивних рішень з метою усунення проводимостей по керамічних ізоляторів, конструктивні рішення по точному поєднанню елементів сіток і стабільності їх положення в процесі експлуатації.

В ДНВП “Істок” проведена розробка потужної спіральної ЛБХ більше 1 кВт вихідний безперервної потужності. Досягнуто токопрохождения електронного променя не менше 98%. Досліджено інтермодуляційні складові 3-го порядку в дво-, трё четирёхчастотном режимах роботи [1].

У многочастотном режимі роботи в спектрі посилених сигналів найбільший відносний рівень потужності мають сигнали комбінаційних складових третього порядку з умовним позначенням (33) і (32), де 1-й індекс означає порядок комбінаційної частоти, а 2-й – кількість сигналів з різними частотами, що беруть участь в її освіті. Наприклад:

Аналіз серії отриманих характеристик показав, що рівень складових (33) може бути на 6-8 дБ вище, ніж (32) при відносному рівність утворюють їх сигналів.

Рівні інтермодуляционних складових третього порядку нерівних сигналів менше рівнів ІМС рівних сигналів при однакових сумарних вихідних потужностях.

Слід зазначити, що раніше створені потужні ЛБХ мають одноступенчатую рекуперацію і забезпечують при цьому промисловий ККД 30-35%. В даний час ведуться роботи по створенню дво більш ступеневої колектора для потужних приладів. Основні проблеми в цьому напрямку полягають в наступному:

1)            Забезпечення надійної в експлуатації при ВВФ електроізоляції в многоступенчатом колекторі в умовах, коли живлять напруги перевищують 10 кВ.

2)            Зниження кількості зворотних електронів з колектора на замедляющую систему при глибокій рекуперації. У потужних ЛБХ що досягається значення електронного ККД вище, ніж в малопотужних приладах. Тому розкид за швидкостями електронів, що потрапляють в область колектора, більше, що призводить до відносного збільшення відбитих на замедляющей системі електронів. Крім цього, абсолютна кількість відбитих електронів при загальному струмі променя одиниці ампер стає настільки великим, що починає чинити істотний вплив на тепловий режим роботи ЛБХ.

Аналіз параметрів ЛБХ передових зарубіжних фірм і їх порівняння з результатами, досягнутими в ДНВП “Істок”, показав наступне.

ЛБХ безперервного режиму роботи. Зарубіжні аналоги до 3 кВт вихідної потужності армуються з МПФС і мають практично ті ж смуги робочих частот (500-700 МГц), що і ЛБХ ДНВП “Істок”. Так само збігаються режими харчування; масогабаритні характеристики вітчизняних ламп краще; коефіцієнт посилення зарубіжних ламп досягає 50-55 дБ (середній рівень коефіцієнта посилення порядку – 40 дБ).

Зарубіжні ЛБХ з вихідною безперервної потужністю понад 3 кВт, як правило, працюють в соленоїді.

Потужні імпульсні ЛБХ. Потужні імпульсні зарубіжні ЛБХ працюють з сеточной низьковольтної модуляцією, яка становить 3-4% від прискорює напруги. Як зазначалося вище, в ДНВП “Істок” вирішена задача створення приладів з сеточной модуляцією з величиною приблизно 3,5% від прискорює напруги. Ряд зарубіжних ламп працюють з двоступінчастим колектором. В ДНВП “Істок” така робота проводиться.

Ряд зарубіжних потужних ЛБХ (близько 50-100 кВт імпульсної потужності) працюють в соленоїді. В ДНВП “Исток” запропоновано своє “цепочечной” рішення, що дозволяє уникнути соленоїда і в 1,5 рази знизити живлять напруги.

Коефіцієнт посилення зарубіжних ламп на 10-15 дБ вище, ніж у розроблених в ДНВП “Істок”.

У зв’язку з розвитком напівпровідникової техніки у багатьох випадках застосування менш трудомісткою і більш стійкою є ЛБХ з коефіцієнтом посилення 40-45 дБ і попередніми транзисторним підсилювачем з коефіцієнтом посилення 20-25 дБ.

На закінчення можна підкреслити наступні найближчі перспективи розвитку потужних ЛБХ сантиметрового діапазону довжин хвиль.

1.       Збільшення імпульсних значень вихідної потужності в монолампах до декількох десятків кіловат і в “цепочечном” виконанні – до 100 кВт і вище.

2.       Надійне забезпечення смуги робочих частот до 10% при збереженні переваг зустрічно-штирьовий системи і роботи поблизу π-виду дисперсионной характеристики.

3.       Розвиток напрямку імпульсних приладів з низьковольтним сітковим керуванням, забезпечення надійності в експлуатації.

4.       Розробка потужних ЛБХ з двоступеневою рекуперацією і промисловим ККД 40-45%.

Література 1. Ruvinskiy GV, Grecov AI, Krutchkov VV, Tishina VS Design and investigation of high-power helix TWT for systems of distant and space communication // Proc. Intern. University Conference. Electronics and Radiophysics of Ultra-High Frequencies. St. Peterburg. Technical University. May 1999.

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