Усилитель мощности миллиметрового диапазона длин волн (стр. 4 из 13)
При переходе в миллиметровый диапазон конструктивно-технологические проблемы создания ЛБВ pезко возрастают. Основная причина этого -уменьшение поперечных размеров ВЧ пакета ЛБВ и соответственно диаметра ее пролетного канала. что приводит к сложностям формирования и сопровождения электронных пучков, получения эффективного взаимодействия и необходимости решения проблем теплоотвода от спирали. Требование к величинам магнитного поля для осуществления периодической фокусировки электронного пучка малого диаметра заставляет уменьшать его первеанс , что приводит к снижению электронного КПД ЛБВ, чему способствует и быстрый рост собственных распределенных потерь ЗС. Ограничения величины выходной мощности ЛБВ миллиметрового диапазона связаны с проблемами эффективного геплоотвода от элементов ЗС. Тепловые нагрузки при продвижении в коротковолновую область возрастают вследствие увеличения распределенных поттерь и токооседа-ния. а элементы, в которых выделяется и по которым отводится тепло, становятся все миниатюрнее.
Для решения задач создания ЛБВ миллиметрового диапазона был проведен комплекс конструкторско-технологических разработок. Основное внимание было уделено решению тепловой задачи и разработке базовых конструкций ЭОС. позволяющей транспортировать электронный пучок в пролетном канале, диаметр которого составляет 0,6 мм при токе до 100 мА. Благодаря созданной оригинальной конструкции МПФС достигнутое значение токопрохождения составляет 98%.
Снижение собственных распределенных потерь в ЗС рассматривалось как эффективный способ увеличения электронного КПД ЛБВ, с одной стороны, и снижения тепловых нагрузок на спираль, с другой. Известно несколько способов уменьшения потерь, но все они сводятся к использованию материалов или покрытий с высокой электрической проводимостью. Применение медной плющенки для изготовления спиралей предполагает применение пайки ВЧ-пакета, которая является единственно возможным способом закрепления спирали, изготовленной из такого неформоустойчивого материала, как медь. Пайка одновременно обеспечивает почти идеальный теплоотвод от спирали, что снижает ее температуру в рабочем режиме и, следовательно, предотвращает дальнейший рост ВЧ-потерь при разогреве спирали. Однако эксперименты показали, что ВЧ пакеты, изготовленные с применением пайки, имеют большой разброс параметров из-за слабо контролируемой величины галтелей образующихся в процессе пайки. Спирали, изготовленные из молибдена или вольфрама с нанесенным покрытием из меди или золота, также оказались малопригодны для использования из-за непрочности покрытия. В результате проведенных исследований оказалось, что наиболее технологичными оказались спирали, изготовленные из полированной вольфрамовой плющенки. Полировка дает снижение ВЧ-потерь- сравнимое с их снижением при использовании спиралей с покрытием. Для снижения ВЧ-потерь и облегчения тепловой задачи в ВЧ пакете была уменьшена диэлектрическая нагрузка за счет использования опорных спиралей прямоугольной формы. Одновременно с работами, направленными на снижение величины тепловых нагрузок за счет улучшения токопрохождения и снижения потерь в ВЧ пакетах, был проведен комплекс работ по обеспечению надежного закрепления ВЧ пакета в оболочках. В результате в качестве базовых методов закрепления ВЧ пакетов в ЛБВ миллиметрового диапазона используются метод холодного обжатия медной оболочки и метод термообжатия. Оба метода обеспечивают хороший тепловой контакт «стержень-оболочка», не уступающий паяному соединению.
Однако снижение тепловых сопротивлений только внутри ВЧ пакета недостаточно для обеспечения надежной работы ЛБВ миллиметрового диапазона. Необходимо решать и внешнюю тепловую задачу.
Разработаны базовые конструкции ЛБВ в миллиметровом диапазоне длин волн с уровнем выходной мощности 10...50 Вт (рисунок 1).
Рисунок 1- Типичная АЧХ ЛБВ миллиметрового диапазона
 |
Разработаны и производятся сверхширокополосных спиральных ЛБВ средней и большой мощностей, а также комплексированных устройств на их основе. Основные технические характеристики проанализированы с позиции их взаимосвязи с особенностями конструкции и технологии изготовления.
Современный этап развития СВЧ-приборов такого класса, характеризующийся успехами в области их миниатюризации и комплексирования совместно с твердотельными устройствами , требует разработки новых конструкторско-технологических работ, решений и подходов.
2. ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ ПО РЕАЛИЗАЦИИ УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ НА ЛБВ КА ДИАПАЗОНА
2.1 Требования технического задания
Анализ современного состояния разработок ЛБВ миллиметрового
диапазона длин волн показал, что наиболее подходящее для проектируемого усилителя является ЛБВ типа ТW-33-200 имеющая следующие параметры.
Требования технического задания.
1. Рабочий диапазон частот, ГГц 33 – 34;
2. Выходная импульсная мощность, Вт ³200;
3. Входная мощность,мВт 75-100;
4. Ток катода импульсный,мА <250;
5. Неравномерность АЧХ в рабочей полосе, дБ 3;
6. Напряжение замедляющей системы, кВ 24,5-25,5;
7. Напряжение коллектора, кВ 10-12;
8. Напряжение управляющего электрода
относительно катода, кВ
-в паузе между импульсами, кВ 2,2;
-во время импульса, В 50;
9. Напряжение накала (переменное), В 3,15-3,5;
10. Ток накала, А 2,0-2,5;
11. Ток замедляющей системы, мА 20;
12. Длительность импульса, мкС 6-10;
13. Частота повторений, кГц 8;
14. Максимальный коэффициент заполнения, % 10;
15. Непрерывная работа, час не менее 4;
16. Способ охлаждения : принудительно-воздушное охлаждение;
17. Масса, кг 4,8;
18. Вывод энергии - прямоугольный волновод
сечением, мм 21.86х10,16;
19. КСВН нагрузки £1,5;
20. Средняя наработка на отказ, час ³1000.
2.2 Анализ требований к источникам питания
В соответствии с техническим заданием на разработку высоковольтных источников питания для СВЧ передатчиков необходимо разработать два источника питания, удовлетворяющие нижеприведенным техническим требованиям.
Технические требования к источнику питания №1 (ИП-1).
Электрические требования:
1. Выходное напряжение 10-12кВ;
2. Характер потребляемого тока импульсный;
3. Ток в импульсе 250мА;
4. Частота повторения импульсов тока нагрузки 8кГц;
5. Длительность импульса 6-10мкС;
6. Гальваническая развязка выходных цепей питания
от шин источника входной электроэнергии.
7. Частота преобразования 8-40кГц с возможностью
синхронизации от внешнего задающего генератора
8. Защита по перегрузкам по выходному току и
напряжению и автоматическое восстановление работы
после снятия перегрузки;
9. Первичная сеть 220В 50Гц;
10. Нестабильность первичной сети 5%;
Технические требования к источнику питания №2 (ИП-2)
Электрические требования:
1.Выходное напряжении 2,5-3,5кВ;
3.Характер потребляемого тока импульсный;
4.Ток в импульсе 20мА;
5.Частота повторения импульсов тока 8кГц;
6.Длительность импульса 10 – 20 мкc;
7.Первичная сеть 220В 50Гц;
8.Нестабильность первичной сети 5%;
Предварительный анализ технических требований показывает, что оба источника питания работают в импульсном режиме потребления выходного тока со скважностью Q > 12.
Определим максимальную среднюю мощность, потребляемую от первичной сети ИП- 1 и ИП –2 по формуле:
Рср=Ри/(
*Q), (2.1)где Ри –мощность потребляемая нагрузкой в импульсе,
- коэффициент полезного действия вторичного источника питания,Q -скважность.
Принимая
=0,85, Q=12, получим:для ИП-1 Рср=300ВA;
для ИП-2 Рср=50ВА.
Таким образом, ИП-1 можно отнести к высоковольтным вторичным источникам питания (ВВИП) средней мощности, а ИП-2 к ВВИП малой мощности.
Хотя деление ВВИП по мощности весьма условно, тем не менее принципы построения и структура источников питания малой и средней мощности могут существенно отличатся друг от друга в зависимости от электрических требований и наличия необходимой элементной базы для построения высоковольтной части ВВИП. При выборе структуры построения ВВИП наличие необходимой элементной базы и необходимой технологии изготовления высоковольтных узлов играет не последнюю роль. Дополнительные требования к выбору структуры построения ВВИП обусловлены условиями эксплуатации и конструктивно технологическими требованиями.