Ю. А. Будзинський, С. П. Кантюк, С. В. Биковський ДНВП “Істок”, Фрязіно

В ДНВП ” Істок “створено і продовжує розвиватися напрямок підсилюючих і захисних СВЧ-приладів, в основу яких покладено взаємодію сигналу з швидкою циклотронної хвилею (БЦВ) електронного потоку [1-3]. Найбільший розвиток отримали електростатичні підсилювачі (ЕСУ), циклотронні захисні пристрої (ЦЗУ) та їх комбінації з малошумящими транзисторними підсилювачами (еску і ЦЗКУ). Дані прилади призначені для роботи у вхідних каскадах приймачів імпульсних РЛС в якості пристроїв, що забезпечують захист від СВЧ-перевантажень, а також посилення сигналу з малим коефіцієнтом шуму. Основною перевагою ЕСУ і ЦЗУ є надмалий час відновлення їх чутливості після впливу СВЧ-перевантаження (характерні часи відновлення ~ 10 нс). Це дозволяє створювати РЛС з високою частотою повторення імпульсів і тривалістю імпульсів від одиниць наносекунд до мілісекунд.

1.                                                                                  Принципи роботи

Принципове пристрій ЕСУ і ЦЗУ показано на рис. 1. Електронна гармата формує стрічковий електронний потік, який послідовно проходить вхідний резонатор, підсилювальну структуру (для ЕСУ) або розділову секцію (для ЦЗУ), вихідний резонатор і осідає в колекторі.

Основні вимоги до електронної гармати – це досить малі поперечні розміри променя і мінімальна еквівалентна шумова температура поперечних коливань електронів. Для зниження шумової температури променя використовується спосіб підвищення індукції магнітного поля в області катода з подальшим адиабатическим зменшенням рівня магнітного поля до величини, що відповідає циклотронному резонансу з сигналом в області взаємодії. Циклотронна частота /ц і рівень поздовжнього магнітного поля Bq

пов’язані відомим співвідношенням:

де е / т – питома заряд електрона. Шумова температура швидкої (+) і повільної (-) циклотронних хвиль в цьому випадку визначається наступним чином [4]:

I

де Bq і Вдо – Відповідно індукція магнітного поля в області взаємодії з електронним потоком і в області катода, Тдо – Фізична температура катода.Для зв’язку з БЦВ електронного потоку в приладах використовуються так звані резонатори Куччіа [5, 6], в яких кут прольоту електроном ємнісного зазору в кілька разів перевищує 2π радіан. Індукція поздовжнього магнітного поля повинна бути такою, щоб забезпечити рівність циклотронної частоти обертання електрона з власною частотою резонатора, приблизно збігається з частотою сигналу (рис. 2).

Рис. 3. Підсилювальна структура ЕСУ

Рис. 2. Резонатор Куччіа

Рис. 1. Функціональна схема ЕСУ і ЦЗУ

Подібні резонаторні пристрої зв’язку забезпечують ефективний зв’язок з БЦВ електронного потоку, що можна пояснити рівністю фазових швидкостей БЦВ і хвилі, порушуємо між пластинами, що утворять ємнісний зазор резонатора. Оскільки по всій довжині ємнісного зазору високочастотну напругу має практично одну фазу, можна вважати, що фазова швидкість електромагнітної хвилі, що розповсюджується уздовж зазору, прагне до нескінченності. Така ж фазова швидкість БЦВ електронного потоку за умови рівності циклотронної частоти і частоти сигналу.

У вхідному резонаторі в потік вводиться потужність сигналу, при цьому збуджується БЦВ сигналу. Одночасно з потоку виводиться БЦВ шуму, що виникає на катоді (див. Рис. 1). Гарне узгодження СВЧ-входу приладу з зовнішньої лінією забезпечує більш повне видалення БЦВ шуму з потоку і таким чином сприяє зниженню коефіцієнта шуму.

Електростатична підсилювальна структура ЕСУ (рис. 3) формує плоскосімметрічное просторово-періодичне поле. Посилення амплітуди БЦВ в такому полі має місце в тому випадку, якщо електрон за час одного циклотронного обороту проходить в поздовжньому напрямку відстань, рівну двом періодам підсилювальної структури. Посилення БЦВ супроводжується виникненням зв’язку між швидкої і повільної циклотрон хвилями, а отже, відбувається перекачування шумів з повільної циклотронної хвилі в швидку. З цієї причини в ЕСУ для отримання низького коефіцієнта шуму принципово необхідний підвищений рівень магнітного поля на катоді для “охолодження” обох циклотронних хвиль.

Для посилення сигналу в ЕСУ використовується кінетична енергія поздовжнього руху променя, тому при збільшенні амплітуди циклотронних коливань електронів відбувається зменшення їх поздовжньої швидкості і настає рассінхронізм між циклотронним рухом електронів і періодом поля підсилювальної структури. Зазначений механізм визначає межу лінійного посилення в ЕСУ, при цьому необхідно враховувати, що в підсилювальної структурі відбувається збільшення повної обертальної енергії електронів, як обумовленої сигналом, так і тепловими коливаннями кожного окремого електрона.

У вихідному резонаторі потужність БЦВ виводиться з потоку.

У ЦЗУ відсутня підсилювальна структура, замість неї встановлена ​​розподільна секція, яка так само, як і підсилювальна структура ЕСУ, забезпечує розв’язку входу і виходу в режимі захисту.

Вище були описані принципи роботи ЕСУ і ЦЗУ в лінійному режимі. Якщо ж вхідна потужність перевищує деякий рівень (порядку одиниць милливатт), то електронний потік повністю осідає у вхідному резонаторі, в результаті чого порушується зв’язок між входом і виходом приладу. Резонатори в відсутність електронної навантаження виявляються рассогласованное з зовнішньою лінією, при цьому до 90% падаючої СВЧ-потужності відбивається від вхідного резонатора. На вихід приладу СВЧ-потужність потрапляє лише за допомогою випромінювання через щілину для електронного променя, яка має позамежні розміри по відношенню до довжини хвилі електромагнітних коливань.

Час переходу ЕСУ і ЦЗУ з режиму захисту в лінійний режим роботи (~ 10 нс) визначається часом загасання НВЧ-коливань в нізкодобротного резонаторі і часом прольоту електронів між резонаторами.

Посилення в ЦЗКУ забезпечується малошумливим транзисторним підсилювачем, включеним на виході ЦЗУ і оптимально узгодженими з ним. На виході ЕСУ також може включатися транзисторний підсилювач для підвищення коефіцієнта посилення.

1.                                                                              Основні параметри

1.1.                                                                       Електростатичні підсилювачі

Верхня межа діапазону робочих частот на сьогоднішній день складає 11-5-12 ГГц і визначається, насамперед, тим, що на більш високих частотах ЕСУ втрачають свою привабливість унаслідок великої маси магнітної системи (маса всього приладу більше 4 кг) і високого коефіцієнта шуму (більше 4 дБ).

Коефіцієнт шуму принциповим чином залежить від ступеня охолодження циклотронних хвиль в спадающем магнітному полі в області між катодом і вхідним резонатором. Отже, якщо рівень магнітного поля на катоді визначається властивостями сучасних магнітних матеріалів (1,5-5-2 Т), а в області взаємодії – циклотронної частотою обертання електрона, то зазначений перепад магнітного поля буде зменшуватися (А коефіцієнт шуму рости) зі збільшенням робочої частоти. Мінімальну шумову температуру ЕСУ можна оцінити із співвідношення (2) як шумову температуру циклотронних хвиль, підставляючи характерну для ЕСУ температуру катода Гдо«1000 К. Розроблені зразки ЕСУ мають коефіцієнт шуму 1,2-5-1,4 дБ в діапазоні частот 1-5-2 ГГц і 4 дБ в діапазоні 10-5-12 ГГц.

Зазначений коефіцієнт шуму характерний для робочої смуги частот, в якій вдається забезпечити достатньо хороше узгодження з зовнішньою лінією, обумовлений електронної навантаженням резонатора. У діапазоні частот ls-З ГГц робоча смуга частот становить до 10%, в діапазоні частот 10-5-12 ГГц – до 4%.

Коефіцієнт посилення ЕСУ звичайно дорівнює 10-5-15 дБ при нерівномірності в робочій смузі частот не більше 2-5-2,5 дБ. Коефіцієнт посилення ЕСУ може бути збільшений, але при цьому зростає його коефіцієнт шуму. У даній ситуації найкращим способом збільшення коефіцієнта посилення до 20-30 дБ є підключення до виходу ЕСУ малошумящего транзисторного підсилювача, що входить до складу приладу. Такий прилад отримав назву “електростатичний комбінований підсилювач” (еску).

Один з найважливіших параметрів ЕСУ – верхня межа лінійності (по вхідної потужності) коефіцієнта посилення. У номінальному режимі роботи ЕСУ лінійні, щонайменше, до рівня вхідної потужності 1Т0 “5Вт Для розширення динамічного діапазону в приладах використовується режим вимкнення напруги, що прикладається між електродами підсилювальної структури. У цьому випадку коефіцієнт електронного підсилення ЕСУ стає рівним одиниці, а верхня межа лінійності зростає до (3-5) 10 4 Вт

Гранично допустима вхідна потужність високого рівня визначається електричною міцністю вхідного тракту ЕСУ і здатністю приладу розсіювати теплову потужність, оскільки, як зазначалося вище, приблизно 10% надходить на вхід приладу СВЧ-потужності перетворюється на теплову. Типові значення гранично допустимої СВЧ імпульсної потужності становлять від 5 до 20 кВт в сантиметровому діапазоні довжин хвиль при середній потужності до 300-500 Вт У дециметровому діапазоні вказані значення можуть досягати 120 кВт імпульсної потужності при 2 кВт середньої.

Розв’язка “вхід-вихід” в режимі захисту становить 60-90 дБ в залежності від діапазону частот. Час відновлення параметрів після закінчення потужного НВЧ-імпульсу – 10-20 нс.

Одне з найважливіших якостей розглянутих приладів полягає в тому, що на виході ЕСУ (і ЦЗУ) відсутні піки просочується потужності в загальноприйнятому розумінні цього терміну. Піки потужності на виході ЕСУ повторюють форму переднього або заднього фронтів потужного НВЧ-імпульсу, що надходить на вхід приладу, і відповідно до амплітудної характеристикою не перевищують 10-20 мВт.

Прилади мають конструкцію, пакетовані з магнітною системою на постійних самарій-кобальтових магнітах.

1.2.                                                                 Циклотронні захисні пристрої

Сучасні малошумливі транзисторні підсилювачі (МШУ) в діапазоні довжин хвиль 3-4 см перевершують ЕСУ за коефіцієнтом шуму. Це дозволяє, відмовившись від посилення сигналу в ЕСУ, отримати менший сумарний коефіцієнт шуму при використанні МШУ.

Геометрична довжина ЦЗУ значно менше, ніж довжина ЕСУ, тому магнітна система для ЦЗУ має істотно меншу масу. В той же час, при меншому зазорі між полюсами магнітної системи можуть бути отримані великі рівні магнітного поля і, таким чином, забезпечені умови для циклотронного резонансу на більш високих частотах. Експериментально підтверджена можливість створення ЦЗУ в діапазоні довжин хвиль до 8 мм. Верхня межа лінійності коефіцієнта передачі ЦЗУ вище, ніж ЕСУ (до 1-5 мВт).

Найбільш важливі параметри для захисних пристроїв – що вноситься ослаблення і шумова температура – показані на рис. 4 і 5 (центральна частота діапазону 8 ГГц). При цьому необхідно враховувати, що шумова температура ЦЗУ не є еквівалентною вноситься ослаблення, так як в приладі присутній шумлячий електронний потік. Перевищення повної шумової температури над тією її частиною, яка відповідає вноситься ослаблення, являє собою надлишкову шумову температуру.

3.                                                                        Захисні властивості ЦЗУ і ЕСУ ідентичні. Відносно вузька смуга робочих частот ЦЗУ (так само, як і ЕСУ) в певних умовах є важливою перевагою, оскільки дозволяє придушувати перешкоди, що знаходяться поза смуги прийому. Внесене згасання на частотах, віддалених від центральної на ± 5% і далі (в діапазоні довжин хвиль 3-4 см), перевищує 30-40 дБ.Особенності застосування

Рис. 6. Типова схема включення ЕСУ і ЦЗУ в СВЧ-тракт РЛС

Рис. 4. Коефіцієнт передачі ЦЗУ в смузі частот

Рис. 5. Шумова температура ЦЗУ в смузі частот

Унікальність ЕСУ і ЦЗУ полягає в тому, що ці прилади володіють прекрасним набором параметрів, необхідних для вхідного пристрою сучасної радіолокаційної системи. Вони поєднують високу чутливість, амплитудную і фазову лінійність з надійним захистом подальших каскадів приймача від СВЧ-потужності високого рівня при надмалих часу відновлення параметрів.

На рис. 6 приведена типова схема включення ЕСУ або ЦЗУ в СВЧ-тракт РЛС, з якої видно, що потужність високого рівня, відбита від вхідного резонатора, повинна надходити через циркулятор в навантаження. Фільтр в СВЧ-тракті для придушення перешкод поза робочої смуги, як правило, відсутня, що також сприяє підвищенню чутливості пріемніка.Література

1.        Budzinsky Yu. A., Kantyuk S. P. A new class of self-protecting low-noise microwave amplifiers // Proc. IEEE MTT-S microwave symposium. Atlanta, USA. June 1993. Digest. V. 2. P. 1123.

2.        Будзинський Ю. А., Кантюк С. П. Електростатичні підсилювачі // Електронна техніка. Сер. СВЧ-техніка. 1993. Вип. 1.С. 21.

3.        Будзинський Ю. А., Биковський С. В., Кантюк С. П., Мастрюков М. А. Електронні прилади НВЧ на швидкій циклотронної хвилі електронного потоку // Радіотехніка. 1999. № 4. С. 32.

4.         Adler R., Wade G. Beam refrigeration by means of large magnetic fields // J. Appl. Phys. 1960. V. 31, № 7. P. 1201.

5.        Cuccia C. L. The electron coupler – a developmental tube for amplitude modulation and power control at UHF, pt. 1 // RCA Rev. 1949. V. 10, № 2. P. 270.

Dubravec V. Wellentheorie des Cuccia-kopplers //Arch. Electr. Ubertrag. 1964. B. 18, № 10. S. 585.

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