Усилитель мощности миллиметрового диапазона длин волн (стр. 3 из 13)

Наиболее просто он реализуется в усилительных цепочках на ЛБВ, в которых между каскадами устанавливается так называемый фазовый компенсатор (отрезок длинной линии с максимально крутой дисперсией), который изменяет фазовый сдвиг между основным сигналом и его гармониками на необходимую величину (как правило, от 90 до 180°). Для повышения устойчивости цепочки между каскадами фазовый компенсатор может быть совмещен с ЛБВ-вентилем. основанным на взаимодействии отраженного СВЧ-сигнала с быстрой волной пространственного заряда. Именно такое построение усилителя позволило впервые достичь уровня мощности порядка 1 кВт в диапазоне 1.8 ГГц с мгновенной полосой частот до 1,5...2 октав.

Для осуществления метода компенсации в одной ЛБВ необходимо обеспечить определенные условия взаимодействия широкополосной ЛБВ.Выбор параметров выходного участка пространства взаимодействия является главной задачей при проектировании широкополосной ЛБВ, поскольку именно он определяет выходную мощность и КПД, уровень нелинейных искажений и ВГС. Наконец, от выбранной модели подавления гармоник и передачи их энергии полю основного сигнала определяются требования и к другим участкам прибора. Характерны два варианта энергообмена между ВГС и основным сигналом:

первый - при равенстве фазовых скоростей возмущенных волн поля на частотах первой и, как правило, второй гармоник, что соответствует слабой нормальной дисперсии ;

второй - когда эти скорости существенно различаются (большая нормальная дисперсия и нулевая или аномальная дисперсия). В первом случае для реализации процесса компенсации необходимо создать специальный компенсирующий сигнал; во втором по мере изменения по длине фазовых соотношений (из-за упомянутой выше разности скоростей) гармоники автоматически попадают в фазу оптимального энергообмена с основным сигналом.

Вместе с тем высокий уровень гармоник в слабонелинейном режиме, повышенная неравномерность амплитудно-частотной характеристики, обусловленная скачком фазы поля, показывают, что этот метод сложен для реализации в сверхширокополосных ЛБВ .

Оптимизация пространства взаимодействия велась в октавном диапазоне: в результате технический КПД при одноступенчатой рекуперации превысил 30%, а уровень ВГС в режиме насыщения уменьшился до 10 Дб.

Коэффициент усиления и собственные шумы широкополосных ЛБВ

Одним из главных ограничений коэффициента усиления в широкополосных ЛБВ является требование минимизации уровня собственных шумов в рабочей полосе частот. Эти два параметра связаны известным соотношением

(1)

где Рш - интегральный шум в рабочей полосе (

);

k =1,38-10-23постоянная Больцмана;

То =293 К -шумовая температура;

Кш коэффициент шума;

Ку-максимальный в полосе частот коэффициент усиления прибора в линейном режиме работы;

Кф- коэффициент формы АЧХ, лежащий обычно в пределах 0,3... 0,5.

Из анализа (I) видно, что возможны два направления работ по уменьшению уровня шумов при заданных значениях коэффициента усиления и полосы усиливаемых частот: уменьшение коэффициента шума и минимизация перепада коэффициента усиления в диапазоне частот (определяемая значениями Кумах и Кф)

Зависимость коэффициента шума ЛБВ средней и большой (более 20 Вт) мощностей от выходной мощности Рвых [Вт] может быть выражена в следующем виде:

(2)

где Рид - выходная мощность прибора по ТУ, Вт.

Связь между Кш и минимально возможным коэффициентом шума Кшmin быть представлена в виде :

(3)

где S и В- диаметры катода и электронного пучка

Вытекающая из (3) очевидная рекомендация по уменьшению диаметра катода связана с увеличением удельного токоотбора н, как следствие, со снижением долговечность прибора и поэтому далеко не всегда применима. На практике при конструировании и изготовлении электронно-оптической системы необходимо предпринять все меры к тому. чтобы снизить разброс скоростей электронов, исключить возможность эмиссии с боковых поверхностей катода и других электродов пушки. Как правило, при настройке прибора в МПФС приходится предпринимать специальную юстировку по уровню шума, Однако все эти меры не позволяют кардинально изменить коэффициент шума и достигнуть нижнего предела допуска [6].

Более широкие возможности по уменьшению собственных шумов ЛБВ заложены в оптимизации АЧХ прибора Каждый участок пространства взаимодействия, работающий в линейной и слабонелинейной областях взаимодействия, конструируется таким образом, чтобы обеспечить минимальный период коэффициента усиления в заданном диапазоне частот. Освоение управлением дисперсией позволяет использовать для этой цели разнообразные комбинации скачков фазовой скорости и дисперсии, реализуемые с помощью изменения шага и диаметра спирали, формы керамических и металлокерамических опор, диаметра и формы экрана.

В более коротковолновых ЛБВ из-за отсутствия к началу их разработки приемлемого конструкторско-технологического решения по управлению дисперсией такие средства не применялись. В результате интегральная мощность шума таких приборов на 1 - 2 и более порядков выше, чем в длинноволновых ЛБВ при тех же значение коэффициента усиления. (таблица1.3)

Таблица 1.3- Параметры ЛБВ

Тип ЛБВ	УВ- А3001	УВ- А3002	УВ- А3003	УВ- А3004	УВ- А3009	УВ- А349А	УВ 3018
F,ГГц	1...2	1...2	2..4	2...4	8...18	8…18	7,5…18
Рвых.Вт	400	1000	400	1000	50	100	250
Ку,Дб	40	30	40	30	50	40	33
Pш, мВт	10	1	10	1	2000	1000	180

Комплексированные устройства

При создании таких устройств могут решаться различные задачи, чаще всего оптимизируются высокочастотные характеристики СВЧ-усилителя и согласование СВЧ-приборов с источниками питания. Работы в этих направлениях ведется с начала семидесятых годов, и сегодня серийно выпускаемые комплексированные изделия используются в различных радиоэлектронных системах гражданского и военного назначениея. Одними из первых комплексированных устройств были упомянутые выше усилительные цепочки в составе: широкополосная ЛБВ с высоким коэффициентом усиления, «ЛБВ-вентиль», совмещенная с фазовым компенсатором, и «прозрачная» для СВЧ-сигнала ЛБВ с малым (6...8, дБ) коэффициентом усиления. Они позволили качественно улучшить характеристики СВЧ-усилителей и в значительной степени иллюстрируют методологию комплексирования, в которой заложены три основополагающих, на наш взгляд, принципа: каждый-элемент комплексированного устройства ответственен за одну или несколько функций всего устройства-параметры каждого элемента согласованы с параметрами других элементов и обеспечивают их нормальное функционирование [A4];

Предполагается оптимальное конструирование устройства в целом с интеграцией элементов конструкции, систем охлаждения, контроля и т.д.

В соответствии с этими принципами были разработаны комплексированные устройства на основе широкополосных спиральных ЛБВ (таблица 1.4).

Оптимизации по СВЧ параметрам., как правило, подлежала наиболее распространенная схема усилителя 1, Изображенная на рис.6 и включающая в себя корректор усиления, транзисторный усилитель 2, широкополосную ЛБВ 3 и источник питания (ИП) 4.

Рисунок 6- Комплексированные устройства

Корректор коэффициента усиления - пассивный, аттенюатор, обеспечивающий частотную характеристику затухания, аналогичную (по форме) частотной зависимости общего коэффициента усиления ЛБВ и транзисторного усилителя, представляет собой цепочку резонаторов с регулируемой добротностью и выполняется на основе либо коаксиальной, либо полосковой линии. В результате комплексированное устройство характеризуется постоянством коэффициента усиления во всем рабочем диапазоне частот.

Современные твердотельные усилители (ТТУ) большой мощности имеют коэффициент шума не более 10 дБ, что существенно ниже, чем у аналогичных ЛБВ, поэтому при распределении усиления между ТТУ и ЛБВ необходимо стремиться к снижению коэффициента усиления ЛБВ, т. e к увеличению выходной мощносги ТТУ. Именно 'поэтому корректор усиления целесообразнее устанавливать до ТТУ и ЛБВ, а не между ними [7].

Все источники питания для широкополосных ЛБВ построены по схеме преобразования частоты питающей сети, имеют стабилизированные источники питании замедляющей системы, анода и коллектора- отвечают требованиям- предъявляемым к соответствующей их применению аппаратуре по механическим и климатическим воздействиям снабжены устройствами защиты и контроля.

Таблица 1.4-Параметры ЛБВ

Частота ГГц	Рвых Вт	Ку, дБ	Состав	Габаритные размеры мм Maccа кг	Сеть
0.8…2	200	60	ТТУ-коррекгор- ЛБВ-ИП	ЛБВ – 1040х82х86 10 ИП- 700 х 300 х 350. 45	200В 400 Гц
1…2	1000	54	ТТУ-коррекгор- ЛБВ-ИП	ЛБВ – 977х82х86 14 ИП- 790 х 320 х 370. 65	200В 400 Гц
2...4	400	40	Коррекгор- ЛБВ-ИП	ЛБВ – 642х82х86 7 ИП- 700 х 330 х 350. 55	200 В 400 Гц
2…4	1000	50	ТТУ-коррекгор- ЛБВ-ИП	ЛБВ –862х100х128 12 ИП- 700 х 330 х 350. 65	200 В 400 Гц
7...11	100	35	ЛБВ-ИП	545 X 125 х 195	200В 400 Гц
4…8	100	40	ЛБВ-ИП	545 X 125 х 195	200В 400Гц
12…18	100	27	ЛБВ-ИП	ЛБВ – D70х380 3 ИП 460х100х295 13	200 В 400 Гц
8...18	100	27	ЛБВ-ИП	330х453х100 15	200В 400Гц
27…29	20	40	ЛБВ-ИП	ЛБВ –2 кг ВИП- 15 кг	220В 50 Гц

ЛБВ миллиметрового диапазона длин волн