Усилитель мощности миллиметрового диапазона длин волн (стр. 2 из 13)

Результаты разработки и особенности технологии производства ЛБВ

В последние годы наибольший объем работ, был направлен на повышение надежности, ресурса и КПД ЛБВ, улучшение спектра и фазовых характеристик ее выходного сигнала, улучшение массогабаритных параметров. Для этого были исследованы пути увеличения эффективности энергообмена в пространстве взаимодействия ЛБВ с широкополосными электродинамическими структурами и возможности рекуперирования остаточной энергии электронных потоков с широким спектром энергий электронов.

В таблице 1.1 приведены основные параметры широкополосных ЛБВ непрерывного действия, разработанных за последние 10 лет. Описание конструкции и характеристик некоторых из них позволяют составить представление о том, как практически решается задача оптимизации основных характеристик широкополосных спиральных ЛБВ.

Таблица 1.1- Современные ЛБВ

Прибор	F,ГГц	P,вых,Вт	Кус,Дб	Uсп,кВ	Iк,мА	Uк,кВ	Размеры, мм Масса, кг	Охлаждение
УВ-А3001	1...2	400	40	5	440	3,2	1040х82х86 10	Жидк.
УВ-АЗ002	1...2	1000	30	8.3	840	6	977х88х128 14	Жидк.
УВ-АЗООЗ	2...4	400	40	5.4	440	3.4	642х82х86 7	Жидк.
УВ-А3004	2...4	1000	30	9.2	840	6,5	862х100х128 12	Жидк,
УВ-АЗООб	4...8	180	40	7.5	250	4.5	500х100х75 3	ВОЗД.
УВ-А3008	8...12	200	35	7.5	250	4.5	450х100х75 3	Конд.
УВ-А3018	7,5.. 18	250	33	10.4	330	6.5/3	450х55х75 3	Конд
УВ-А3020	18..26	10	30	10	40	5	350х54х80 2.0	ВОЗД
УВ-А3021	26...40	10	35	11	100	6	350х54х57 2,0	Конд.

Лучшие результаты получены в лампах со спиральными замедляющим

и системами (ЗС) малого диаметра, в которых для снижения СВЧ-потерь используется спиральный проводник прямоугольного сечения из материала МАГТ-0,2 с проводимостью по постоянному току, близкой к проводимости меди (не менее 85%). В таких ЗС реализованы схемы согласования фазовых скоростей в СВЧ волновом пакете с энергетическими характеристиками электронного потока вдоль пространства взаимодействия лампы, обеспечивающие передачу СВЧ-полю на частоте первой гармоники 60... 75% энергии электронов компактного сгустка, содержащего до 80% электронов на периоде СВЧ-волны [A1] .

Высокая эффективность энергообмена в пространстве взаимодействия, низкие потери СВЧ-мощности в ЗС и удобный для многоступенчатого рекуперирования спектр энергий электронов в электронном потоке на входе в коллектор при применении новых конструкций спиральных ЗС позволили увеличить электронный КПД в средней части сантиметрового диапазона до 30... 36% , а технический КПД ЛБВ с трехступенчатым коллектором электронов - до 56%. При этом были улучшены и другие параметры, влияющие на качество выходного сигнала усилителя [4]:

относительный уровень выходной мощности на частоте второй гармоники снизился до минус 25 дБ, максимальное значение коэффициента амплитудно-фазовых преобразований при изменении входных мощностей от нулевой до входной мощности, соответствующей режиму насыщения, уменьшилось до 6 град/дБ.

Полученные данные позволили сделать вывод, что в ЛБВ с электронным КПД более 30% при сопровождении электронного потока в периодических магнитных полях может быть достигнуто токопрохождение на коллектор в динамическом режиме более 97%. Увеличение электронного КПД привело к уменьшению удельного токоотбора с поверхности катода и увеличению долговечности ЛБВ [A2]. Последующее увеличение долговечности до 100 тыс ч и более стало возможным после разработки специальных технологических процессов, методов контроля качества, обеспечивающих производство основных узлов ЛБВ повышенной надежности металлокерамических, катодных, ЗС, узлов связи и МПФС.

Основные электрические параметры ряда приборов:

Рвых - выходная мощность на частоте первой гармоники,

Ky - коэффициент усиления,

I 0 -ток катода (суммарный ток электродов),

N - количество ступеней коллектора.

М - масса,

Д - долговечность,

Они приведены в таблице 1.2. В ней представлены данные из технических условий, которые, как правило, обеспечиваются конструкциями и технологией с большими производственными запасами. Результаты разработки образцов ЛБВ с КПД 60% и долговечностью 150...200 тыс. ч

Выполненные. исследования показали возможность создания и освоения производства ЛБВ средней мощности сантиметрового диапазона с долговечностью 150... 200 тыс. ч и КПД более 60% . Важнейшее условие обеспечения работы ЛБВ в течение 200 тыс. ч. - повышение эмиссионной долговечности катода. Необходимая эмиссионная долговечность достигается в двухкамерных металлопористых катодах при плотности токоотбора с эмитирующей поверхности до 1 А/см2.

В результате первой серии испытаний экспериментальных образцов ЛБВ нового поколения было обнаружено, что после наработки более 100 тыс. ч могут возникать отказы приборов из-за снижения поверхностного сопротивления керамических деталей металлокерамических узлов электронной пушки, а после наработки 100... 150 тыс. ч среди приборов с большой токовой нагрузкой на ЗС могут возникать отказы по снижению выходной мощности.

Таблица 1.2- Параметры ЛБВ

Тип	Диапазон частот, ГГц	Рвых. Вт	Ку.дБ	Uзс. кВ	Iо, мА	N, шт	Кпд,%	М,кг	Д, ч
УВ-481	3,4...3,9	40	42	3,5	70	3	45	2,6	57500
УВ-А2002	3,4...3,9	80	42	3.7	130	3	45	2,6	55000
УВ-509	7,0...8,0	40	40	4,0	40	3	50	0,8	77000
УВ-А2006	11,4...11,7	22	40	5.0	40	3	40	1,9	55000
УВ-А2008А	11.7...12,5	100	48	6.5	140	5	56	1.8	100000
УВ-А2008	11.7...12,5	150	50	6,5	160	5	55	1,8	100000
УВ-А2010	13,4...14,0	50	50	5,6	55	3	40	2,0	77000
УВ-485	14,5...15,5	40	50	5,6	55	3	40	2.0	55000

Снижение поверхностного сопротивления керамических деталей в электронной пушке связано с накоплением на их поверхности проводящих материалов, испаряющихся с нагретых поверхностей катода. Для устранения этого эффекта разработаны электронные пушки, в которых керамические детали защищены экранами от попадания на них испарившихся с катода материалов. Надежность этих пушек подтверждена испытаниями, проведенными по методике ускоренных испытаний в специальных режимах в течение времени, эквивалентного наработке более 300 тыс. ч.

Механизм снижения выходной мощности также связан с переносом вещества с поверхности нагретых частей спирали на диэлектрические опоры ЗС. При незначительных тепловых нагрузках на спираль время, в течение которого могут быть обнаружены негативные последствия для ЗС со спиралью из МАГТ-0,2, превышает 1 млн. ч. В противном случае это время может сокращаться в зависимости от температуры спирали в десятки и более раз. Возрастание СВЧ-потерь в результате металлизации диэлектрических опор приводит к увеличению тепловой нагрузки на спираль и увеличивает скорость деградации параметров такой ЛБВ [A3].

Добиться необходимого уменьшения скорости переноса вещества с поверхности спирали на опоры ЗС можно улучшением теплоотвода от спирали ЗС и уменьшением токовой нагрузки на спираль. В разрабатываемых ЛБВ улучшение теплоотвода достигается применением деталей из материалов с высокой теплопроводностью, например медных оболочек ЗС , и применением пластичных материалов для создания необходимых тепловых контактов в местах сопряжения теплоотводящих элементов конструкции. Уменьшение токовой нагрузки, как следует из анализа токопрохождения в ЛБВ с электронным КПД более 30%, возможно за счет улучшения токопрохождения в статическом режиме и уменьшения тока, возвращенного из коллекторов. Такая работа была выполнена на основе метода конечных элементов при моделировании электронного потока в аксиально-симметричных узлах ЛБВ .

Разработанные ЛБВ средней мощности сантиметрового диапазона отличаются высоким техническим уровнем, КПД различных типов ЛБВ принимают значения 45... 55 % , а долговечность достигает 100 тыс. ч. Указанные значения КПД получены при использовании ЗС с

= 0.8...0,9 и малыми СВЧ-потерями, долговечность ЛБВ обеспечивается надежностью конструкций узлов и особенностями технологии, включающей специальные методики прогнозирования их надежности и ресурса. Исследованы пути увеличения КПД ЛБВ до 60% и долговечности до 200 тыс. ч. Разработаны и испытаны образцы ЛБВ с КПД 60... 64% и долговечностью более 150 тыс. ч

Первые разработки спиральных ЛБВ с шириной полосы более октавы позволили определить, что главным препятствием по расширению полосы рабочих частот является взаимодействие на частотах, кратных частоте основного сигнала (высших гармонических составляющих (ВГС)). В результате многочисленных исследований было установлено, что все многообразие средств подавления ВГС, причем с достаточно эффективной передачей их энергии основному сигналу, реализуется. с помощью единственного метода - метода компенсации . Он заключается в том, что на входе или в пространстве взаимодействия самой ЛБВ формируется сигнал, насыщенный гармониками. противофазными гармоникам, образующимся в результате нелинейного взаимодействия по основному сигналу [5].