Определение оптимальных значений конструктивных параметров спиральной замедляющей системы лампы с бегущей волной

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Аннотация

Введение

Глава I. Широкополосные лампы с бегущей волной (обзор литературы)

1.1 Область применения спиральной ЛБВ

1.2 Принцип действия усилительных ламп с бегущей волной

1.3 Параметры и характеристики ЛБВ

1.4 Конструкция и основные узлы ЛБВ

Глава 2. Конструкция спиральной замедляющей системы

2.1 Общие вопросы (дисперсионная характеристика, сопротивление связи)

2.2 Выбор конструкции спиральной ЗС

2.3 Основные требования к конструкции спиральной ЗС

2.4 Методы закрепления ЗС в корпусе прибора

Выводы к главе II

Глава 3. Численное моделирование ЗС

3.1 Расчёт основных параметров ЗС

3.2 Линейный расчёт основных конструктивных параметров ЗС

3.3 Результаты первоначального расчёта основных конструктивных параметров

3.4 Численное проектирование ЗС для ЛБВ в программе WinHelix

3.5 Сравнение линейного расчёта с расчётом в программе WinHelix

3.6 Расчёт выходных параметров ЛБВ в программе HelixTwt

Глава 4. Экономическая часть

4.1. Расчёт себестоимости изделия

Глава 5. Безопасность жизнедеятельности

5.1 Оценка возможных опасных и вредных производственных факторов

5.2 Охрана труда при реализации дипломного проекта

5.3 Расчёт экрана

Глава 6. Экологическая часть

6.1 Воздействие электромагнитного излучения на людей

Заключение

Список использованной литературы

Аннотация

Для современного этапа развития радиоэлектронной аппаратуры сверхвысоких частот (СВЧ) и техники связи, в частности, характерным является жесткая конкуренция между твердотельными и электровакуумными приборами. Однако, несмотря на значительный прогресс в развитии твердотельной СВЧ электроники, область частот, превышающих 5 ГГц, в настоящее время остается практически недоступной для полупроводниковых приборов, особенно для уровней непрерывной (средней) мощности 50 Вт и выше.

Помимо чисто частотных и энергетических соображений немаловажным фактором, определяющим выбор элементной базы и принципов конструирования радиотехнических устройств, является учет таких условий эксплуатации, как устойчивость приборов к колебаниям температуры окружающей среды в пределах от -60С до +85С, их способность выдерживать кратковременные перегрузки электрического режима, достигающих 150-200% от номинальных значений и другие. Более высокая надежность при экстремальных условиях эксплуатации является одним из характерных достоинств электровакуумных приборов (ЭВП), используемых для генерирования и усиления СВЧ колебаний.

Успехи электровакуумной технологии, позволившие увеличить ресурс современных ЭВП, долговечность которых исчисляется годами непрерывной работы, не дают микроволновым твердотельным приборам безусловного преимущества и в этом вопросе.

Спиральные лампы бегущей волны (ЛБВ) нашли широкое распространение в радиоэлектронной аппаратуре СВЧ диапазона различного назначения. Эти приборы используются в тех случаях, когда необходимо сочетание значительной мощности, большой широкополосности, высокого коэффициента усиления и ряда других параметров. Современные требования, предъявляемые к радиоэлектронной аппаратуре, привели к необходимости значительного увеличения выходной мощности спиральных ЛБВ с воздушным охлаждением, а также к обеспечению высоких значений параметров, влияющих на качество передаваемого сигнала.

Исходя из вышеизложенного, проблема создания мощных высокоэффективных надежных спиральных ЛБВ, используемых в качестве выходных усилителей различной радиоэлектронной аппаратуры СВЧ диапазона, и в частности в станциях тропосферной и спутниковой связи, является актуальной в настоящее время.

Цель работы.

Целью настоящей работы является разработка конструкции спиральной замедляющей системы широкополосной ЛБВ, обеспечивающей эффективное усиление СВЧ сигнала в заданной полосе частот, а также высокие значения параметров, влияющих на качество передаваемых сигналов.

Дипломная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка используемой литературы.

В главе 1 рассмотрены основные технические параметры, конструкция и принцип действия мощных ЛБВ непрерывного действия.

В главе 2 приводятся типы конструкций спиральных замедляющих систем, методы их закрепления в корпусе ЛБВ, а так же основные требования, предъявляемые к ним.

Глава 3 содержит линейный и программный расчёт электродинамических характеристик и пространства взаимодействия выбранной конструкции замедляющей системы.

Глава 4 включает в себя расчёт себестоимости прибора.

Глава 5 посвящена вопросам охраны труда; оценке опасных и вредных производственных факторов; охране труда при реализации проекта и разработке защиты от СВЧ - излучения.

В главе 6 рассматривается экологическая часть проекта и описывается воздействие электромагнитных колебаний на живые организмы.

Введение

конструкция лампа бегущий волна

Создание сложных современных радиотехнических систем невозможно без целого ряда генераторных и усилительных электронных приборов СВЧ типа. К приборам диапазона СВЧ относятся такие приборы, как магнетроны, клистроны, лампы бегущей и обратной волны.

Лампы с бегущей волной со времени их изобретения Рудольфом Компфнером в 1943 году нашли весьма широкое применение в системах радиолокации, радионавигации и связи в качестве широкополосных усилителей малой, средней и большой мощностей. Полоса усиления ЛБВ 0 типа средней мощности со спиральной замедляющей системой достигает одной-двух октав при выходной мощности порядка 100 Вт. Современные ЛБВ-0 перекрывают диапазон частот от 50 МГц до 500 ГГц при уровнях выходной мощности от милливатт до мегаватт.

В настоящее время, в связи с совершенствованием полупроводниковых технологий за рубежом и в России, получили развитие твердотельно-вакуумные СВЧ- усилители, состоящие из твердотельного вакуумного преусилителя и выходной мощной ЛБВ непрерывного или импульсного действия. В результате разделение коэффициента усиления между каскадами удается улучшить ряд параметров по сравнению с использованием одной ЛБВ, в том числе- увеличить коэффициент усиления, повысить КПД устройства, снизить уровень шума, улучшить массо-габаритные параметры.

Одним из важнейших элементов ЛБВ является замедляющая система (ЗС). Тип и конструкция ЗС играет значительную роль в достижения заданной мощности, надежности и долговечности.

Наибольшее распространение в технике СВЧ получили замедляющие системы типа: спираль, гребенка, диафрагмированный волновод, коаксиальные ребристые структуры, замедляющие системы, выполненные из набора пластин, а так же резонансные замедляющие системы типа цепочка связанных резонаторов.

За многие годы экспериментов и эксплуатации лучшие результаты в части обеспечения усиления в широкой полосе частот были получены в лампах со спиральными замедляющими системами (ЗС).

Замедляющие системы применяются не только в электронных приборах СВЧ, но и в линейных ускорителях, в линиях задержки, в антенных устройствах, в параметрических усилителях с бегущей волной и в ряде других приборов.

К настоящему времени предложено много различных конструкций замедляющих систем и методов их расчёта.

Задача данного дипломного проекта заключается в определении оптимальных значений конструктивных параметров спиральной замедляющей системы ЛБВ Ku-диапазона, обеспечивающей выходную мощность 300 Вт при коэффициенте усиления не менее 25 дБ и рабочем напряжении 7 ч 8 кВ, предназначенной для использования в составе твердотельно-вакуумного усилителя СВЧ. Ku-диапазон- это диапазон сантиметровых длин волн, простирается от 10 до 18 ГГц.

Глава 1. Лампы бегущей волны (обзор литературы)

1.1 Область применения спиральной ЛБВ

Лампы бегущей волны продолжают оставаться одним из важнейших комплектующих элементов, определяющих технический уровень спутников связи. Этот тип электронно-вакуумных приборов (ЭПВ) обладает превосходными рабочими и эксплуатационными характеристиками: широкой полосой рабочих частот, большим коэффициентом усиления и коэффициент полезного действия (КПД), выходной мощностью от десятков до сотен ватт, высокой устойчивостью к внешним воздействиям, термостабильностью параметров и высокой надежностью при долговечности до 100 тыс. ч и более. Они допускают эксплуатацию в гораздо более жестких режимах, чем твердотельные приборы.

Главным направлением разработки ламп прямой волны являются широкополосные усилители дециметрового, сантиметрового и отчасти миллиметрового диапазонов длин волн.

Применение ЛБВ типа О непрерывно расширяется и простирается от широкополосных входных усилителей в СВЧ приемниках до мощных выходных каскадов импульсных передатчиков, генераторов помех и т.д. Особенно широко применяются ЛБВ в системах многоканальной радиорелейной связи. Мощные усилительные ЛБВ используются для питания фазированных антенных решеток радиолокаторов с управляемой диаграммой направленности, содержащих до нескольких тысяч элементов, снабженных отдельными усилителями.

Наряду с этим ЛБВ типа О применяются в качестве преобразователей и умножителей частоты, фазовых модуляторов и генераторов весьма коротких импульсов. Представляет интерес также использование ЛБВ в качестве источника шумов для систем радиопротиводействия и измерительных установок СВЧ диапазона.

К числу менее обычных, но актуальных направлений относится создание ЛБВ, имеющих вместо обычного катода фотокатод или фотоумножительную систему. Такие фото-ЛБВ могут найти применение в приемниках оптической связи с использованием лазерного излучения, модулированного СВЧ колебаниями.

Немаловажное значение для дальнейшего развития ЛБВ типа О будет иметь уменьшение их габаритов и веса, повышение их механических свойств. Большую роль может играть дальнейшее усовершенствование методов фокусировки электронных потоков. Можно ожидать дальнейшего снижения уровня шумов во входных ЛБВ и повышения выходной мощности и КПД в мощных выходных ЛБВ.

В настоящее время большие перспективы имеет использование ЛБВ в качестве ботовых усилителей космической связи на искусственных спутниках Земли. Разработанные ЛБВ используются в выходных усилителях ретрансляторов космических аппаратов «Молния», «Радуга», «Глобус», «Луч», «Галс» и др.

1.2 Принцип действия усилительных ламп с бегущей волной

В основе усилительных и генераторных ламп бегущей волны в широком смысле слова лежит длительное взаимодействие электронов с бегущей электромагнитной волной, распространяющейся в нерезонансной колебательной системе. Этим лампы бегущей волны значительно отличаются от приборов СВЧ, использующих резонансные колебательные системы, -- триодов, клистронов и магнетронов. В лампах бегущей волны происходят те же основные электронные процессы, что и в других генераторных и усилительных приборах, группировка электронов и отдача энергии электронов, приобретенной ими от постоянного электрического поля, полю сверхвысокой частоты. Особенно близкими к лампам бегущей волны являются магнетроны.

Важным преимуществом ламп бегущей волны, как усилителей, является их широкополосность. В самом деле, во всех усилительных приборах с резонаторной колебательной системой рабочая полоса частот ограничивается нагруженной добротностью используемого колебательного контура или системы контуров. В лампах с нерезонансной колебательной системой этого основного ограничения не существует. Это же обстоятельство проявляется и при использовании ламп с длительным взаимодействием в качестве генераторов. Основным достоинством их является широкий диапазон электронной настройки, значительно превышающий лучшие результаты, которые могут быть получены с большинством генераторов резонансного типа.

Для длительного взаимодействия электронов с электромагнитным полем необходимо соблюдать условия фазового синхронизма, т. е. приблизительного совпадения скорости электронов х₀ с фазовой скоростью волны х_ф:

х₀ ? х_ф

При этом предполагается, что направление движения электронов совпадает с направлением фазовой скорости волны.

Поскольку скорость электронов всегда меньше скорости света с в свободном пространстве, условие синхронизма предполагает, что фазовая скорость взаимодействующей с электронами волны также меньше с. Это означает, что электроны должны двигаться в поле замедленной электромагнитной волны. В большинстве ламп бегущей волны используются замедляющие системы - волноведущие структуры, удовлетворяющие условию х_ф < с. Типичная величина коэффициента замедления составляет примерно от 2 до 50.

Как известно, поле периодических замедляющих систем содержит бесчисленное множество одновременно существующих прямых и обратных пространственных гармоник, имеющих различные фазовые скорости и бегущих по системе как в направлении движения электромагнитной энергии, так и в противоположном направлении. Подбирая скорость электронов х_о и направление их движения, можно удовлетворить условию синхронизма для одной из пространственных гармоник. Таким образом, электронный поток может взаимодействовать как с прямыми, так и с обратными волнами.

Приборы, в которых электронный поток взаимодействует с основной прямой замедленной волной или с положительной пространственной гармоникой, называются лампами прямой волны. За этими приборами закрепилось название лампа бегущей волны или лампа с бегущей волной (сокращенно ЛБВ), несмотря на то, что лампами бегущей волны в широком смысле являются все приборы рассматриваемого класса. Приборы, в которых используется взаимодействие электронов с обратными волнами (отрицательными пространственными гармониками), появились позднее и получили название ламп обратной волны (сокращенно ЛОВ).

Отличительной особенностью ламп прямой волны является то, что направление движения электронов совпадает с направлением движения энергии по замедляющей системе. В лампах обратной волны электронный поток двигается навстречу потоку энергии. Эти особенности определяют расположение входа и выхода СВЧ сигналов. В лампах прямой волны вывод энергии расположен со стороны коллектора, в то время как в ЛОВ вывод энергии находится на конце замедляющей системы, обращенном к электронной пушке.

Лампы прямой и обратной волны подразделяются на две основные группы, различающиеся направлением и назначением постоянного магнитного поля: ЛБВ типа О и ЛБВ типа М.

В приборах типа О происходит преобразование кинетической энергии электронов в энергию СВЧ поля в результате торможения электронов этим полем. Магнитное поле в таких лампах направлено вдоль направления распространения пучка (продольное магнитное поле) и служит только для целей фокусировки прямолинейного электронного пучка. Такую же роль магнитное поле играет в пролетных клистронах. Поэтому клистроны, подобно ЛБВ и ЛОВ, также относятся к группе приборов типа О.

В приборах типа М в энергию СВЧ поля переходит потенциальная энергия электронов, смещающихся в результате многократного торможения и разгона от катода к аноду. Средняя кинетическая энергия при этом остается постоянной. Магнитное поле в таких приборах направлено перпендикулярно направлению распространения пучка (поперечное магнитное поле). Электроны в лампах М-типа двигаются в постоянных скрещенных электрическом и магнитном полях как в обычных магнеторных генераторах.

Далее в дипломной работе будет говориться только усилительные лампы бегущей волны О типа. Схематичное изображение устройства ЛБВ на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Схема устройства ЛБВ.

Принцип действия ламп бегущей волны (ЛБВ) основан на механизме длительного взаимодействия дрейфующего электронного потока с полем замедленной электромагнитной волны. Электронная пушка формирует электронный пучок с определенным сечением и интенсивностью. Скорость электронов определяется ускоряющим напряжением. Так же ускоряющее напряжение U₀ обеспечивает требуемый синхронизм между электронами и волной, замедленной до скорости порядка 0.1 c. Движение энергии по замедляющей системе происходит в направлении движения электронов. С помощью фокусирующей системы создающей продольное магнитное поле, обеспечивается необходимое поперечное сечение пучка на всем пути вдоль замедляющей системы (ЗС).

Рис 1.2. Виды замедляющих систем

В случае фазового синхронизма начальный участок спиральной замедляющей системы ЛБВ выполняет функцию устройства, модулирующего электронный поток по скорости.

Рис. 1.3. Процесс взаимодействия в ЛБВ при точном синхронизме:

а -- в начальный момент t₀; б -- при t>t₀

На данном рисунке качественно иллюстрируется процесс взаимодействия в ЛБВ при условии точного синхронизма, т.е. при х₀ ? х_ф. На первой части рисунка изображены распределения E_z, I_z и положение отдельных электронов в начале области взаимодействия (t=t₀). Поскольку предварительной группировки электронов в потоке нет, они расположены равномерно вдоль оси z и I_z =const. Соответственно равномерно распределены они и по фазам распространяющейся на входе волны Е₁. Силы, действующие на электроны, определяются фазой поля, в которой они находятся (направления сил указаны стрелками): на электроны 1, 6, 11 поле волны не оказывает действия (они расположены в узлах Е_z); электроны 2--5 ускоряются, а электроны 7--10 тормозятся полем волны, причем ускоряющие и тормозящие силы различны по величине в зависимости от положения электрона.

Под действием этих сил электроны с течением времени начинают смещаться и в некоторый момент t>t₀ распределение электронов примет вид, изображенный на второй части иллюстрации: электроны группируются вблизи электрона 5. За счет этого распределение заряда по длине пучка становится неравномерным и появляется переменная составляющая тока I_z. Эта составляющая возбуждает в замедляющей системе поле E_z, сдвинутое по фазе относительно «первичного» поля входного сигнала E₁ на -- р/2. Теперь на поток, перемещаясь вместе с ним, действует уже суммарное поле Е_z, имеющее большую, чем E₁, амплитуду и имеющее некоторое смещение по фазе. Поскольку в режиме слабых сигналов (малые смещения электронов) группировка нарастает пропорционально амплитуде поля, а изменение амплитуды поля пропорционально сгруппированному току, можно ожидать, что для изменения амплитуды поля волны вдоль z имеет место закон, близкий к экспоненциальному.

Если х_e = х_ф, то электроны группируются в области нулевого значения высокочастотного поля и электронный поток не обменивается энергией с бегущей волной. Если х_e<х_ф, то электроны отстают от волны и группируются в области ускоряющего высокочастотного поля, которое сообщает электронам дополнительную скорость. В результате входной сигнал не усиливается, а ослабляется. Если х_е > х_ф, то электроны, находящиеся в ускоряющем поле, приобретают ускорение и перемещаются в область тормозящего поля, где их движение замедляется. Следовательно, электроны будут сосредоточены в тормозящем поле и передадут частично свою кинетическую энергию бегущей волне. Амплитуда электромагнитной волны по мере распространения вдоль замедляющей системы будет возрастать. Поэтому необходимым условием усиления ЛБВ является такое соотношение между скоростями х_е и х_ф, при котором скорость электронов х_е немного превышает скорость электромагнитной волны.

Так как скорость электронов в процессе взаимодействия с полем будет уменьшаться, то по мере движения вдоль замедляющей системы сгустки электронов будут смещаться относительно бегущей волны. Необходимо такое различие в скоростях, чтобы за время движения сгустка вдоль всей длины замедляющей системы он не вышел из области тормозящего поля.

Образованные электронные сгустки наводят в той же спирали ток и создают тормозящее высокочастотное поле, обеспечивающее отбор энергии от электронного потока и усиление входного сигнала.

1.3 Параметры и характеристики ЛБВ

Основными параметрами и характеристиками ЛБВ являются:

1) коэффициент усиления ;

2) диапазон рабочих частот ;

3) коэффициент шума ;

4) максимальная выходная мощность.

Таблица 1.1 Основные параметры ЛБВ

Вид ЛБВ	fмакс/fмин	Ку , дб	Рвых , Вт	Uпит , В	Iлуча , мА
Малошумящие	1,1 ч 2,0	15 ч 35	10-3 ч 10-2	250 ч 1200	0,2 ч 1,5
Промежуточные	1,1 ч 4	25 ч 60	10-2 ч 1,0	600 ч 2000	1 ч 15
Малой мощности	1,5 ч 2	20 ч 60	1,0 ч 20	103 ч 4·103	25 ч 70
Средней мощности	1,5 ч 2	20 ч 35	20 ч 102	1,5·103 ч 4·103	50 ч 100
Большой мощности	1,5 ч 2	13 ч 30	?102	2·103ч2·104	200 ч 2500

Максимальный коэффициент усиления ЛБВ со спиральной замедляющей системой зависит от постоянного ускоряющего напряжения. Реально достижимое значение коэффициента усиления ЛБВ средней и большой мощности составляет 30-50 дБ, то есть несколько ниже, чем у многорезонаторных клистронов (60 дБ). В маломощных ЛБВ коэффициент усиления может достигать 60 дБ.

Особенно ценным свойством ЛБВ является их широкополосность. Коэффициент усиления ЛБВ при неизменном ускоряющем напряжении может оставаться почти неизменным в широкой полосе частот -- порядка 20 -- 50 % от средней частоты. В этом отношении ЛБВ значительно превосходят усилительные клистроны, которые могут обеспечивать весьма высокое усиление, но имеют значительно более узкую полосу частот.

Еще одним преимуществом ЛБВ является то, что они обладают меньшим коэффициентом шума, чем другие лампы. Например, коэффициент шума в ЛБВ составляет 6-12 децибел, а в клистронах порядка 25 дб. Хотя это преимущество ЛБВ является менее принципиальным, однако оно имеет большое практическое значение.

Рабочая полоса частот ЛБВ частично определяется дисперсией замедляющей системы, т.е. изменением фазовой скорости замедленной волны в зависимости от частоты. При фиксированном ускоряющем напряжении U₀ скорость электронов х₀ остается неизменной. Следовательно, чем слабее дисперсия замедляющей системы, тем шире диапазон частот, в пределах которого может удовлетвориться условие синхронизма электронов и волны.

Среди многих известных типов замедляющих систем наибольшую широкополосность обеспечивают спиральные системы.

Электроны, пролетая сквозь замедляющую систему, отдают часть своей кинетической энергии СВЧ полю, что приводит к уменьшению скорости электронов. Но при этом нарушается условие фазового синхронизма х_e ? х_ф. Отсюда вытекает основное ограничение КПД ЛБВ, связанное с невозможностью отдачи всей кинетической энергии электронов СВЧ полю: электронные сгустки смещаются из области тормозящего поля в область ускоряющего.

Нижний предел скорости электронов определяется фазовой скоростью замедленной волны. Поэтому величина КПД должна быть тем больше, чем значительнее превышение начальной скорости электронов над фазовой скоростью волны в замедляющей системе. Однако при увеличении рассинхронизма ухудшается группирование на входном участке замедляющей системы и резко уменьшается коэффициент усиления. Таким образом, требования максимального КПД и высокого коэффициента усиления в ЛБВ оказываются противоречивыми.

В зависимости от назначения ЛБВ выпускаются на выходные мощности от долей мВт (входные маломощные и малошумящие ЛБВ в усилителях СВЧ) до десятков кВт (выходные мощные ЛБВ в передающих устройствах СВЧ) в непрерывном режиме и до нескольких МВт в импульсном режиме работы.

1.4 Конструкция и основные узлы ЛБВ

Электровакуумный прибор, работа которого основана на взаимодействии электронного потока и бегущей волны, впервые предложил и запатентовал американский инженер А. Гаев (A. Hoeff) в 1936. Первую ЛБВ создал американский учёный Р. Компфнер (R. Kompfher) в 1943. Первые теоретические работы по ЛБВ опубликовал американский физик Дж. Пирс (J. Pierce) в 1947.

Основными частями ЛБВ являются: электронная пушка для создания и формирования электронного потока; замедляющая система, снижающая скорость распространения электромагнитной волны вдоль оси ЛБВ до скорости, близкой к скорости электронов, для синхронного движения волны с электронным потоком (обычно используется металлическая спираль, жестко закрепленная продольными диэлектрическими опорами и отличающаяся слабой зависимостью скорости бегущей вдоль неё волны от частоты, благодаря чему достигается эффективное взаимодействие волны с электронным потоком в широкой полосе частот); фокусирующая система (периодическая система постоянных магнитов, соленоид или др.) для удержания магнитным полем электронного потока в заданных границах поперечного сечения по всей его длине; коллектор для улавливания электронов; ввод и вывод энергии электромагнитных колебаний; поглотитель энергии колебаний СВЧ на небольшом участке замедляющей системы для устранения самовозбуждения ЛБВ из-за отражений волн от концов замедляющей системы.

Для подробного изучения конструкций ЛБВ рассмотрим основные узлы реально существующей спиральной ЛБВ, работающей в рассматриваемом диапазоне частот. Ее общий вид представлен на рисунке 1.4.

Рассматриваемая ЛБВ имеет металлокерамическую пакетированную конструкцию, основными узлами которой являются электронная пушка. Спиральная замедляющая система с входным и выходным выводами энергии и коллектор. Магнитная периодическая фокусирующая система (МПФС), предназначенная для обеспечения пропускания электронного потока во внутреннем канале ЗС, устанавливается непосредственно на корпус ЛБВ и фиксируется при изготовлении прибора.



Рис 1.4. Общий вид ЛБВ.

1 - электронная пушка; 2 - выходной коаксиально-волноводный переход; 3 - коллектор; 4 - магниты МПФС; 5 - входной коаксиальный разъем; 6 - основание; 7 - радиатор; 8 - кожух

Конструкция корпуса ЛБВ замедляющей системы представляет собой набор полюсных наконечников и промежуточных втулок спаянных между собой медным припоем.

Основной особенностью конструкции корпуса является отсутствие внутренней трубки, характерной для обычно применяемых конструкций такого типа. Отсутствие трубки позволяет приблизить внутреннюю поверхность полюсных наконечников к оси магнитного канала и, соответственно, создавать периодические фокусирующие поля со значительно большей амплитудной составляющей магнитной индукции по сравнению с конструкциями корпуса, в которых используется тонкостеночная внутренняя трубка. Это играет важную роль при создании мощных приборов. Так же можно обеспечить более точное расположение внутренних поверхностей полюсных наконечников магнитнопериодической фокусирующей системы, что создает условия для однородности магнитного поля в радиальном направлении и, соответствен, сказывается на фокусировке интенсивного электронного потока.

Отсутствие внутренней трубки накладывает более жесткие требования по газопроницаемости, к качеству паянных швов, соединяющих детали корпуса (около 100 деталей).

Существует несколько требований предъявляемых к корпусу лампы бегущей волны:

- обеспечение хорошего теплоотвода от элементов системы;

- обеспечение вакуумной плотности паяных швов для достижения высокой надежности, долговечности и сохранности прибора, т.к. корпус ЛБВ является частью вакуумной оболочки прибора;

- обеспечение хорошей соосности полюсных наконечников МПФС с внутренним каналом корпуса, предназначенным для размещения ЗС, что необходимо для получения токопрохождения в приборе не менее 98%;

- корпус ЛБВ должен предусматривать возможность обеспечения эффективного теплоотвода от полюсных наконечников;

- иметь достаточную жесткость для обеспечения прочности прибора к воздействию внешних механических факторов.

Трехэлектродная электронно-оптическая система (рис. 1.5.), в которой фокусирующий электрод находится под одним потенциалом с катодом и конструктивно соединен с ним внутри прибора, формирует электронный пучок с определенным сечением и интенсивностью.

Требования предъявляемые к устройствам данного типа:

- высокая точность изготовления, в частности обеспечение заданных размеров между отдельными электродами, а так же хорошей соосности (в пределах 0,05 мм) электронной пушки с осью ЗС при сборке ЛБВ, что очень важно для обеспечения высокого токопрохождения в приборе;

- высокая межэлектродная электрическая прочность, необходимая для обеспечения надежной работы прибора в течение срока службы.

Ускоряющее напряжение между катодом и замедляющей системой U_o обеспечивает требуемый синхронизм между электронами и замедленной волной. Движение электромагнитной волны вдоль замедляющей системы происходит в направлении движения электронов. Фокусировка электронного потока ЛБВ осуществляется с помощью постоянного магнитного поля, создаваемого магнитной периодической фокусирующей системой (МПФС) и направленного вдоль оси лампы.

Магнитное поле периодической фокусирующей системы обеспечивает оптимальное прохождение электронного пучка внутри замедляющей системы ЛБВ.

Рис 1.5. Общий вид конструкции электронной пушки

(1 - эмиттер, 2 - электрод управляющий, 3 - электрод подфокусирующий внешний, 4 - электрод подфокусирующий внутренний, 5 - электрод фокусирующий, 6 - анод)

Рис. 1.6. Конструкция спиральной ЗС мощной ЛБВ.

(1 - спираль; 2 - комбинированные опоры; 3 - корпус)

Спиральная замедляющая система, изображенная на рис 1.6., состоящая из собственно спирали и трех металло-керамических опор, крепится во внутреннем канале корпуса между диэлектрическими стержнями. Часть электронов, влетающих в спиральную замедляющую систему, движется под некоторым углом к оси внутреннего канала. Под действием магнитных полей фокусирующей системы происходит оседание электронов на поверхность замедляющей системы и, как следствие этого, нагрев спирали, что может привести к прогоранию спирали и выводу ЛБВ из строя. Поэтому опоры ЗС должны обладать не только диэлектрическими свойствами, но и высокой теплопроводностью. Последнее требование важно для ламп средней и большой выходной мощности.

Рис. 1.7. Комбинированная металлокерамическая опора.

Комбинированные металлокерамические опоры состоят из двух частей-металлической и керамической. Керамическая часть обеспечивает контакт между спиралью и опорой замедляющей системы. Металлическая обеспечивает контакт между керамическим стержнем и корпусом.

Применение комбинированных металлокерамических опор в замедляющих системах мощных ЛБВ обусловлено:

- созданием условий для расширения рабочего диапазона прибора;

- снижением диэлектрической нагрузки на спираль и, следовательно, снижается погонное затухание в ЗС;

- значительное улучшение теплового контакта между керамическим стержнем и корпусом, в случае использования в качестве металлической части опоры медь;

- сокращением количества деталей, которые необходимо разместить во внутреннем канале корпуса при создании сверхширокополосных ЗС, что особенно важно при продвижении в коротковолновый диапазон из-за уменьшения поперечных размеров;

- наличие металлической основы обеспечивает тепловую и механическую связь всех элементов в случае появление поперечных трещин в керамических опорах, нередко возникающих при закреплении ЗС в корпусе.

На входе и выходе замедляющей системы есть специальные устройства, обеспечивающие вход и выход СВЧ-энергии в вакуумную полость прибора, для согласования ее с линиями передачи, являющимися частью и радиоэлектронной аппаратуры.

Рис. 1.8.Выходной вывод

Последние могут быть либо волноводными, либо коаксиальными. На вход поступает СВЧ сигнал, который усиливается в приборе и с выхода передается в нагрузку. В рассматриваемом приборе используются коаксиальные выводы энергии различной конструкции. Отличие в конструкции связано с различными уровнями СВЧ мощности (более чем в 1000 раз), проходящей через них. Особых требований для устройства ввода энергии в замедляющую системе не требуется, т.к. на вход подается сигнал не высокой мощности и измеряется, как правило, в милливаттах (мВт). Поскольку выходная мощность рассматриваемого прибора составляет в непрерывном режиме несколько сотен ватт, его конструкции, представленной на рисунке, уделено особое внимание в части обеспечения теплопередачи от центрального проводника коаксиала.

Для этой цели используются специальные вкладыши из бериллиевой керамики, обладающие хорошей теплопроводностью, которые припаяны к центральному и внешнему проводнику коаксиала во внутривакуумной полости прибора. С наружней части выходного вывода энергии устанавливается коаксиально-волноводный переход H-сечения, обеспечивающий передачу СВЧ-энергии более чем октавной полосе частот..

Достичь идеального согласования замедляющей системы с входной и выходной лилии во всем рабочем диапазоне и тем более за его пределами практически не возможно. Поэтому усиленная волна частично отражается на выходе от имеющейся неоднородности, и, не взаимодействия с электронным потоком, двигается в обратном направлении, создавая внутреннюю обратную связь, при этом ЛВБ может перестать выполнять свои функции усилителя и перейти в режим генератора.

Самовозбуждение имеет место если удовлетворены следующие условия:

1. амплитуда “вторичной” (дважды отращенной) волны на входе лампы не меньше амплитуды “первичной ” бегущей волны;

2. фаза “вторичной” волны после двукратного отражения и двукратного пробега по замедляющей системе отличается от фазы “первичной ” волны на 2рn, где n - любое целое число.

Обратная связь и, как следствие, переход из режима усиления в режим генерации крайне не желательны для любого усилителя. Поэтому для устранения самовозбуждения вводится локальный поглотитель, который может быть выполнен в виде стержня из поглощающей керамики или в виде поглощающих пленок.

В мощных связных ЛБВ для обеспечения достаточно высокого значения эксплуатационного КПД (порядка 35%) используется двухсекционный коллектор, конструкция которого приведена на рис.4.7.

Коллектор, имеющий две токоприемные секции 1 и 2, изолирован-ные друг внутри вакуумной полости от друга и от корпуса коллектора 4 за счет использования двенадцати керамических стержней 3 из оксида бериллия и закрепленные посредством термообжима при нагреве конструкции до температуры 500?С, позволяет рассеять мощность более 1300 Вт. Для улучшения теплового контакта и, соответственно, теплопередачи наружная поверхность токоприемников имеет двенадцать граней, а прилегающая к ним поверхность стержней имеет продольную лыску шириной 2,5 мм.

Электронно-оптическая система коллектора представляет собой асимметричную электростатическую линзу между токоприемниками, под действием которой электронный пучок отклоняется от оси в области второй секции, в результате чего поток вторичных и отраженных электронов с этой секции обратно на первую секцию коллектора и в область замедляющей системы, что положительно влияет на работу прибора.

Конструкция данного коллектора предусматривает наличие кольцевого магнита (рис.1.9) на корпусе в области первой секции, создающего магнитное поле на оси с величиной индукции, составляющей около 25% от амплитуды индукции поля, создаваемого МПФС, которое помогает пропустить электронный поток внутри первой секции с минимальным оседанием электронов на нее. Ток первой секции коллектора составляет 3-4% тока электронного потока в статическом режиме (при отсутствии входного сигнала) и не превышает 15% в режиме насыщения.

Рис.1.9. Двухсекционный коллектор

1-токоприемник 1 секции; 2-токоприемник 2 секции; 3-керамический стержень; 4-корпус коллектора.

В результате использования двухсекционного коллектора рассматриваемой конструкции удается за счет применения двухступенчатой

рекуперации вдвое снизить мощность электронного потока в области коллектора по сравнению с мощностью потока в области пространства взаимодействия.

Глава 2. Конструкция и технология замедляющей системы мощной ЛБВ

2.1 Общие вопросы

При конструировании замедляющей системы обычно приходиться решать две основные задачи:

1. Выбор конструкции замедляющей системы ( диаметр и шаг спирали, длины секций, размеры диэлектрических опор, форма провода и т.д.) с целью обеспечения ее электродинамических параметров ( замедления п и сопротивления связи Rcb ), от которых зависит эффективность взаимодействия электромагнитной волны с электронным потоком в требуемом диапазоне частот.

Эта задача при разработке ЛБВ обычно решается посредством проведения расчетов, в том числе с использованием компьютерных программ, а также экспериментальными измерениями для корректировки математических моделей.

2. Обеспечение эффективного отвода тепла от спирали, выделяющегося в ней за счет ВЧ потерь и токооседания, возникающих в процессе взаимодействия. При этом, при конструировании прибора стараются создать условия, когда ВЧ-потери и ток оседания на спираль минимальны. Тепло, выделяемое в спирали, может отводиться на корпус ЗС только за счет теплопроводности. Поэтому при выборе конструкции, в зависимости от возможной тепловой нагрузки, используют опорные керамические стержни с хорошей теплопроводностью (оксид берилия, нитрид бора), уделяют большое внимание качеству тепловых контактов между спиралью и опорой, с одной стороны, и опрой и внутренней поверхностью корпуса-с другой.

Основным фактором, определяющим полосу частот усиливаемых сигналов ЛБВ, является дисперсия замедляющей системы. Под дисперсией понимают зависимость фазовой скорости волны от частоты. Различают четыре вида дисперсии:

1) Нормальная дисперсия, при которой фазовая скорость в рассматриваемом диапазоне частот уменьшается с ростом частоты колебаний.

2) Аномальная дисперсия, характеризуемая увеличением величины фазовой скорости при повышении частоты.

3) Положительная (прямая) дисперсия, при которой направления фазовой и групповой скоростей совпадают.

4) Отрицательная (обратная) дисперсия, в случае которой фазовая скорость волны направлена в сторону, противоположную групповой скорости.

На рисунке 2.1 показаны случаи нормальной положительной дисперсии(1), аномальной положительной (2) и аномальной отрицательной (3).

Рис. 2.1

В ЛБВ дисперсия является всегда положительной.

Для эффективного взаимодействия электронного потока с волной необходимо, чтобы при заданном потоке энергии P через систему была велика составляющая электрического поля, тормозящего электроны. Эффективность взаимодействия электронов с полем чаще всего характеризуют величиной (сопротивление связи):

Где

P - средний по времени поток энергии, переносимый через любое поперечное сечение системы.

- средний по сечению электронного потока и его длине квадрат амплитуды составляющей электрического поля, взаимодействующий с электронным потоком. вm - Фазовая постоянная волны в замедляющей системе при отсутствии электронного потока. Усреднение по длине потока обычно ведут в предположении, что система бесконечна. Оно сводится к вычислению так называемых амплитуд пространственных гармоник. Символ «m» указывает номер пространственной гармоники .

Величина Rсв имеет размерность сопротивления [Ом]. Вместе с Rсв растет коэффициент усиления ЛБВ, растет КПД приборов.

В большинстве работ, однако, используется понятие сопротивления связи. Типичная величина Rсв для спирали, при реально используемых значениях замедления в зависимости от диапазона частот составляет от сотен до нескольких десятков и даже единиц Ом.

Подобно характеристическому (волновому) сопротивлению обычных длинных линий, величина Rсв зависит только от конфигурации проводников рассматриваемой линии и, если отсутствует нелинейный диэлектрик, не зависит от величины передаваемой мощности.

Физический смысл сопротивления связи Rсв можно сравнить также со смыслом активной проводимости полых резонаторов G. Обе рассматриваемые величины позволяют найти напряжение или напряженность электрического поля, если известна высокочастотная мощность, поступающая в систему. Сходство можно усмотреть и в неоднозначности величин Rсв и G, зависящих от выбранного пути отсчета. В самом деле, поле вблизи замедляющей системы не является неизменным, а убывает по экспоненциальному или по близкому к экспоненциальному закону по мере удаления от поверхности системы.

Большей частью, если не делается иных оговорок, при вычислении сопротивления связи рассматривается электрическое поле, существующее на поверхности системы или на оси ее симметрии, где пропускается электронный поток. Чем больше расстояние от поверхности замедляющей системы, тем слабее напряженность поля при одной и той же мощности бегущей волны и тем меньше соответствующее сопротивление связи.

Строгий аналитический расчет сопротивления связи для конкретных замедляющих систем является нелегкой задачей и возможен лишь в простейших случаях. Тем не менее, введение понятия сопротивления связи даже в общем виде имеет большое значение для построения теории электронных приборов СВЧ. Чем больше величина Rсв, тем выше оказывается коэффициент усиления ламп бегущей волны. Важную роль в определении сопротивления связи играет эксперимент.

2.2 Выбор конструкции спиральной замедляющей системы

Применение в ЛБВ спиральной замедляющей системы классической конструкции (рис.2.2.), то есть представляющей собой спираль, закрепленную в металлическом экране с помощью диэлектрических опор круглого или прямоугольного сечения, которая обладает нормальной дисперсией, позволяет обеспечить полосу усиливаемых частот ЛБВ не более октавы [1].

Рис.2.2. Классическая конструкция ВЧ-блока.

1-Спираль; 2-Диэлектрические опоры; 3-Металлический экран.

Создание ЛБВ с более широкой полосой усиливаемых частот достигается применением замедляющей системы со слабо аномальной или нулевой дисперсией. Однако получение ее сопровождается падением сопротивления связи по сравнению с системами с нормальной дисперсией, чем обуславливается более низкий КПД, но этот шаг позволяет расширить полосу усиливаемых частот до двух октав. Анализ работы замедляющей системы показывает, что ограничение полосы частот усиливаемых сигналов в ЛБВ определяется двумя факторами:

1) Отсутствием синхронизма, обусловленного изменением электродинамических характеристик замедляющей системы (коэффициента замедления и сопротивления связи) в частотном диапазоне.

2) Уменьшением коэффициента усиления вследствие уменьшения электрической длины прибора.

Длинноволновая граница в случае нулевой и аномальной дисперсии определяется, главным образом, вторым фактором, а при нормальной дисперсии - первым. Коротковолновая граница всегда определяется только первым фактором.

Первым способом получения замедляющей системы с нулевой или аномальной дисперсией для расширения полосы ЛБВ является приближение экрана к спирали (рис.2.3.).

Рис.2.3. Приближение экрана к спирали.

Сопротивление связи в такой замедляющей системе становится очень низким и, следовательно, получить большие значения КПД в таком приборе невозможно.

Другим способом является введение в замедляющую систему азимутальной анизотропной проводимости (Этот способ был предложен Пчельниковым Ю. Н.). Одной из первых была теоретически рассмотрена замедляющая система с введенными между спиралью и экраном проводящими стержнями, расположенными по окружности параллельно оси системы (рис.2.4.). Изменяя положение ребер и зазор между ними и спиралью, можно изменить наклон дисперсионной характеристики и перейти из нормальной дисперсии в аномальную. Сопротивление связи такой системы оценивается приближенно.

Рис.2.4. Конструкция замедляющей системы, позволяющая получить аномальную дисперсию.

1-Спираль; 2-Продольные ребра; 3-Металлический экран.

Анализ влияния ширины продольных стержней и их расстояния от спирали на дисперсию показал, что влияние на замедление при одинаковой дисперсии тем слабее, чем меньше ширина стержней и больше расстояние от них до спирали.

В конструкции замедляющей системы, изображенной на рис.2.5, рис.2.6, рис.2.7, используя металлический экран с продольными ребрами различной конфигурации, варьируя число ребер, ширину и расстояние от них до спирали, можно получить нулевую, смешанную или аномальную дисперсии.

Рис.2.5. Изменение ширины продольных стержней.

Рис.2.6. Изменение числа ребер.

Рис.2.7. Изменение высоты ребер.

В разное время было предложено большое количество конструкций спиральных замедляющих систем с азимутально-анизотропной проводимостью экрана, но в силу своей нетехнологичности, малоэффективности и неустойчивости конструкции не используются в практике. Были отобраны те, которые отвечают вышеперечисленным требованиям. Рассмотрим две такие конструкции, изображенные на рис.2.8(N1) и рис.2.9(N2): Спираль 1 закреплена в металлическом корпусе 4 с использованием трех диэлектрических штабиков (опор) 2. Азимутально-анизотропная проводимость обеспечивается металлическими ребрами различной конфигурации 3.

Теоретический анализ позволил определить основные закономерности влияния количества, размера ребер и их расстояния от спирали на дисперсию и сопротивление связи. Установлено, что характер дисперсии сильно зависит от высоты ребер. Сопротивление связи уменьшается с ростом высоты ребер, причем в большей мере в длинноволновой части диапазона.

Увеличение, как ширины, так и количества ребер приводит к росту замедления, но число ребер влияет более существенно. При этом сопротивление связи с шестью узкими ребрами оказывается намного больше, чем сопротивление связи в системе с тремя широкими ребрами.

По результатам можно сделать вывод, что при одном и том же изменении дисперсии уменьшение сопротивления связи будет меньше, если это изменение достигнуто за счет увеличения числа ребер при сохранении их формы, а не наоборот. Кроме того, показано, что применение экрана с продольными ребрами позволяет получить аномальную дисперсию при значениях сопротивления связи в 1,52 раза больших, чем при приближении оболочки к спирали в конструкции замедляющей системы с изотропным экраном. Исследования показали одинаковую эффективность спиральной замедляющей системы (рис.2.8.) и (рис.2.9.), причем N1 рекомендован как более технологичный, а N2 как более эффективный. Проведенное сравнение замедляющей системы с металлокерамическими стержнями(рис.2.8.) и замедляющей системы с шестью продольными ребрами (рис.2.4.) показало, что при одной и той же аномальной дисперсии в двухоктавной полосе частот сопротивление связи в приборе с металлокерамическими стержнями выше. Это объясняется тем, что использование металлокерамических стержней в ВЧ пакете позволяет значительно уменьшить объем диэлектрика и, соответственно, снизить диэлектрические потери. Но в то же время сопротивление связи такой замедляющей системы ниже, чем в замедляющей системе с изотропным экраном с нормальной дисперсией (рис.2.2.).

Рис. 2.8. Вариант N1 конструкции замедляющей системы.

1 - спираль; 2 - диэлектрический штабик;

3 - металлическое ребро; 4 - металлический экран.

Далее сравнили N1 и N2 (при одинаковой дисперсии, в одном диапазоне частот), сопротивление связи N2 больше, чем N1. Это обьясняется тем, что во второй конструкции 10 ребер против 6 в первой и ребра во второй конструкции тоньше, чем в первой. Диэлектрические потери больше во второй конструкции, так как объем диэлектрика круглых опор больше объема штабиков, влияние этих потерь сказывается на к.п.д.

Рис. 2.9. Вариант N2 конструкции замедляющей системы.

1 - спираль; 2 - диэлектрическая опора ;

3 - металлическое ребро; 4 - металлический экран.

Анализ конструкций ЗС показал, что обе замедляющие системы с металлокерамическими опорами (штабиками) эффективно взаимодействуют с пучком электронов, при этом не теряя свое свойство сверхширокополосности. Однако конструкция замедляющей системы N1 была выбрана для проектирования ЛБВ с заданными параметрами. Это связано с тем, что в ЗС N1 диэлектрические опоры имеют большую площадь соприкосновения со спиралью, что обеспечивает лучший теплоотвод от нее. Поэтому ЗС конструкции N1 используют в ЛБВ с большей мощностью, чем ЗС конструкции N2. Также конструкция N1 является наиболее технологичной.

2.3 Основные требования к конструкции спиральной замедляющей системы

Выбрав конструкцию замедляющей системы, следует определить материалы, из которых она будет изготавливаться. Выбор материалов определяется требованиями к теплорассеивающей способности системы, которая и будет определять максимальную выходную мощность прибора. Также надо учитывать электрические параметры материалов и технологичность изготовления из них элементов замедляющей системы. Для получения необходимого вакуума в готовом приборе (~ 10^-7 мм. рт. ст.) все материалы должны иметь малое собственное газовыделение.

Поскольку теплорассеивающая способность определяется отводом тепла от спирали по опорам, то выбор металлокерамических опор выгоден и с этой точки зрения, так как в собранном блоке имеется хороший паяный контакт между диэлектриком и металлическим держателем и хорошие контакты спираль - держатель и корпус - держатель.

В качестве материала держателя применена медь, имеющая высокую электро- и теплопроводность. Одновременно с этим, благодаря высокой пластичности меди, для изготовления необходимой конфигурации держателя можно применить метод объемной штамповки, обеспечивающий высокую точность и повторяемость геометрических размеров держателя, что важно с точки зрения повторяемости характеристик замедляющей системы в различных экземплярах ламп.

В качестве материала керамической части опоры применена керамика из окиси бериллия (ВеО), обладающая уникальной теплопроводностью при достаточно хороших электрических характеристиках (=6,8; tg=0,0005).

При выборе материала спирали необходимо найти компромисс между тем, что для навивки спирали требуется пластичный материал, но при этом навитая спираль должна быть достаточно жесткой и формоустойчивой. Также материал спирали должен обладать минимальными электрическими потерями. Материал спирали должен быть рассчитан на высокие рабочие температуры. Наиболее для изготовления спирали подходят упрочненная медь, вольфрам и молибден. Медная спираль требует сложных технологических процессов для ее закрепления. Вольфрам можно навивать только в нагретом состоянии, так как в холодном состоянии он легко расслаивается и ломается. Этих недостатков в определенной мере лишен молибден. Он допускает достаточно высокие рабочие температуры и более пластичен, чем вольфрам. Применение электрохимической полировки позволяет уменьшить высокочастотные потери за счет уменьшения общей протяженности скин-слоя. Поэтому материалом для изготовления спирали был выбран молибден.