Є. В. Засипкін

Інститут прикладної фізики РАН, Нижній Новгород

Введення

Серед підсилювачів міліметрового діапазону довжин хвиль найбільшою потужністю володіють гірорезонансние підсилювачі, до яких відносяться гіроклістрони, гіро-ЛБХ, і гіротвірони. Реалізація великих рівнів потужності вихідного випромінювання забезпечується наявністю у гіроусілітелей ряду переваг у порівнянні з традиційними підсилювачами О-типу:

■ Гвинтовий електронний потік взаємодіє на циклотронної частоті (або її гармоніках) з швидкими ТЕ-хвилями, що поширюються в слабонерегулярних волноводах кругового перетину з фазової швидкістю, багато більшої швидкості світла. Для підтримки тривалого фазового синхронізму потоку з ВЧ-полем уповільнення хвилі не потрібно.

■ Відбір запасеної обертальної енергії у пучка ВЧ-полем виробляється в просторово-розвиненої електродинамічної системі, що має великий обсяг і не містить елементів з розмірами, меншими робочої довжини хвилі. Висновок енергії з гіроусілітеля здійснюється круглим хвилеводом великого діаметру, пов’язаним з вихідним каскадом діафрагмою або конусним переходом. Вищеперелічені обставини дозволяють радикально вирішити проблеми тепловідведення і високочастотного пробою і за рахунок цього забезпечити високоефективну роботу підсилювача при великих рівнях потужності вихідного випромінювання в міліметровому діапазоні хвиль.

Використовувані в гіроусілітелях адіабатичні магнетрона-інжекторні гармати з великою компресією формують інтенсивні гвинтові пучки з малим розкидом швидкостей і великою часткою енергії, запасеної в обертальному русі електронів. Лінійна теорія гіро-ЛБХ була побудована і підтверджена експериментально вже до початку 60-х років [1]. Гіроклістрон був запропонований в СРСР в 1966 році А. В. Гапоновим, А. Л. Гольденберг і В. К. Юлпатовим [2] і незалежно в США Д. Хіршфілдом і Дж. Вотчела [3]. У 1967 році в Науково-дослідному радіофізичному інституті (НІРФІ) був продемонстрований експериментальний макет гіроклістрона, працював в сантиметровому діапазоні хвиль на основний моді тещ з ККД 70% [4].

На початку сімдесятих років в НІРФІ і ДНВП “Істок” (м Фрязіно) були сконструйовані і випробувані потужні підсилювачі 8-мм діапазону довжин хвиль: трехрезонаторний гіроклістрон безперервної дії з вихідною потужністю близько 10 кВт з ККД 25% і коефіцієнтом посилення 30 дБ (ДНВП “Істок”) і дворезонаторних гіроклістрон з імпульсною потужністю 20 кВт при ККД 25% і коефіцієнті посилення 20 дБ (НІРФІ). Подальші дослідження проводились спільно НДІ “Титан” і ІПФ РАН в більш довгохвильовому діапазоні. Результатом роботи стало створення імпульсних трехрезонаторних гіроклістронов з робочою частотою 16 ГГц і наступними параметрами: вихідна потужність 60 кВт, ККД 50%, коефіцієнт посилення 30 дБ (НДІ “Титан”) і пікова потужність 160 кВт, ККД 30%, коефіцієнт посилення 35 дБ (ІПФ РАН).

Перша американська розробка гіроклістрона була зроблена фірмою “Варіан” в 1977 році. В експериментальному макеті гіроклістрона був досягнутий рівень потужності 65 кВт при ККД 9%, коефіцієнті посилення 40 дБ в смузі робочих частот 0,2% [5]. У 1979 році у Військово-морській лабораторії США (Naval Research Laboratory (NRL), Washington) була створена гіро-ЛБХ, що працює на частоті 35 ГГц з вихідною потужністю 16,6 кВт при посиленні 20 дБ і ККД 8%. Смуга посилення становила 1,5% [6].

Новий етап у розвитку гіроусілітелей пов’язаний з їх застосуванням в далекій міліметрової радіолокації. З кінця 70-х років в НВО “Радіофізика” проводилася розробка многолучевой радіолокаційної системи (РЛС) міліметрового діапазону хвиль, призначеної для одночасного виявлення і точного визначення координат кількох цілей з розмірами 10-100 см на дальностях до 1000 км. Експериментальний варіант наземної міліметрової РЛС (“Руза”) був створений і успішно випробуваний в кінці 80-х – початку 90-х років на полігоні Сари-Шаган в Казахстані [7].

В якості передостаннього і вихідного каскадів підсилюючих ланцюжків станції “Руза” були використані потужні гіроклістрони з робочою частотою 34 ГГц, розроблені спільно ІПФ РАН і ДНВО “Торій”. Пізніше в ІПФ РАН були створені багаторезонаторні гіроклістрони імпульсного і безперервного дії, що працюють на частоті 94 ГГц. З середини 90-х років розробка потужних гіроклістронов з робочою частотою 35 і 94 ГГц була розпочата в NRL.

Дане повідомлення являє собою огляд стану розробок і дослідження гіроусілітелей міліметрового діапазону хвиль як у Росії, так і за кордоном.

1.                                         Принцип дії і основні схеми гіроусілітелей

Схеми основних типів гіроусілітелей наведені на малюнку. У гіроклістронах роль окремих каскадів відіграють відносно нізкодобротного циліндричні резонатори, розділені позамежними для робочого типу коливань трубками дрейфу (малюнок а). Процес посилення сигналу в гіроклістроне повторює в основних рисах процес посилення в звичайному клістроні О-типу. У вхідному резонаторі енергія обертального руху електронів модулюється ВЧ-полем вхідного сигналу, частота якого близька до їх циклотронної частоті. У трубці дрейфу електрони групуються по фазі обертання через релятивистского ефекту. Утворилися при угрупованню згустки надходять у вихідний резонатор, збуджуючи в ньому ВЧ-поле на частоті підсилюється сигналу з великою амплітудою. За аналогією з прогонових клістроном, для збільшення коефіцієнта посилення і ККД в гіроклістроне можуть бути використані проміжні резонатори. ВЧ-поле, що розпочинається в них електронним потоком, призводить до додаткової модуляції енергії обертального руху частинок, що дозволяє поліпшити якість згустків.

У гіро-ЛБХ, як і в ЛБХ О-типу, електрони взаємодіють з високочастотним полем електромагнітної хвилі, що розповсюджується в напрямку їх поступального руху. У найпростішому випадку електродинамічна система гіро-ЛБХ являє собою гладкий хвилевід, що містить з катодного боку пристрій введення зовнішнього сигналу, а з колекторної – плавний конусний перехід до вихідного волноводу збільшеного перетину (Малюнок б). Якщо в гіроклістроне процеси модуляції енергії, фазової угруповання та відбору енергії розділені в просторі і часі, то в гіро-ЛБХ всі три процеси протікають одночасно і безперервно при впливі біжучої хвилі підсилюється сигналу на електрони пучка, що переміщається від катода до колектора. Азимутальні згустки, які утворюються спочатку в околиці нульовий фази змінного поля, по міру зростання амплітуди хвилі зміщуються з нульовою в гальмуючу фазу ВЧ-поля. При гальмуванні згруповані електрони синфазно віддають хвилі частину своєї запасеної обертальної енергії, що призводить до її посиленню.

Електродинамічні системи гіроусілітелей гібридного типу (гіротвістронов і інвертованих гіротвістронов) включають в себе як резонатори, так і секції з хвилею, що біжить, розділені закритичних для робочої моди трубками дрейфу. У гіротвістронеСхеми гіроусілітелей: а – гіроклістрон, б – гіро-ЛБХ, в – гіротвірон, г – інвертований гіротвірон.

(Малюнок в) модуляція і угрупування електронного потоку здійснюється системою резонаторів (як правило, нізкодобротного і засмучених відносно один одного), а відбір енергії у попередньо сгруппированного пучка проводиться в секції з хвилею, що біжить. У інвертованому гіротвістроне (малюнок г) роль вхідного каскаду грає відносно коротка секція гіро-ЛБХ, навантажена з вихідного кінця на СВЧ-поглинач, а догруіровка та відбір енергії у пучка відбувається в низько добротних резонаторах.

Найбільші рівні потужності, ККД і коефіцієнта посилення були досягнуті в гіроклістронах, проте смуга робочих частот цих підсилювачів навіть у кращих випадках не перевищувала одного відсотка. Обмеження ширини смуги підсилюються частот обумовлено, головним чином, резонансними властивостями вихідного каскаду. У гіро-ЛБХ можна реалізувати широкосмугове посилення (смуга підсилюються частот може досягати 20-30%), однак за рівнем потужності вони значно поступаються гіроклістронам. Основною причиною обмеження вихідної потужності і ККД у гіро-ЛБХ є її самозбудження на зустрічній робочої або квазікрітіческой хвилі, або на робочій хвилі, відбитої від кінців простору взаємодії. За рівнем вихідної потужності, ККД і коефіцієнту підсилення гіротвістрони не надто сильно поступаються гіроклістронам, оскільки в цих приладах можна без особливих проблем забезпечити сталий посилення при роботі на вищих типах коливань. З іншого боку, застосування в гіротвістронах широкосмугових группователей і нерезонансних секцій відбору енергії дозволяє істотно (у кілька разів) розширити смугу підсилюються частот. Очікувати ж розширення смуги посилення в інвертованому гіротвістроне навряд чи виправдано, оскільки енергія у сгруппированного пучка відбирається в досить нізкодобротного, але все ж резонаторі.

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