книги из ГПНТБ / Радиотехнические системы в ракетной технике

Г Л А В A 8

РАЗРАБОТКА ЭЛЕМЕНТОВ СТАНЦИЙ РАДИОПОМЕХ

8.1.Электровакуумные СВЧ-приборы

Кнастоящему времени известно большое число разнообразных ЭВП. Однако для целей РПД пригоден весьма ограниченный класс приборов, удовлетворяющий основному требованию — быст­ рой электронной перестройке в широком диапазоне частот. Этому требованию, как правило, не удовлетворяют магнетронные генера­ торы, отражательные клистроны (диапазон электронной перестрой­ ки— доли процента), пролетные клистроны (с механической пере­ стройкой) .

Для генерации частот 1 —18 Ггц наиболее перспективными в этом отношении являются лампы обратной волны и митроны (раз­ новидность магнетронных генераторов).

Лампы обратной волны подразделяются на два основных типа: ЛОВ типа «О» (ЛОВО) и ЛОВ типа «М» (ЛОВМ).

В лампах типа «О» электронный поток фокусируется аксиаль­ ным магнитным полем, причем электроны в процессе взаимодей­ ствия с высокочастотным полем замедляющей системы отдают ему свою кинетическую энергию. В ЛОВ типа «М» для фокусировки электронов применяются скрещенные электрическое и магнитное поля, при этом высокочастотному полю передается потенциальная энергия электронов.

За рубежом ЛОВО применяют преимущественно в качестве ге­ теродинов и маломощных генераторов, поэтому в устройствах ак­ тивных помех их использование ограничено. В качестве мощных генераторов (сотни — тысячи ватт) применяют ЛОВМ.

Основные достоинства ЛОВ: широкий диапазон электронной перестройки (30—40%), высокий к. п. д. (40—60%) и сравнитель­ но небольшие питающие напряжения для генерирования мощностей

50—1000 вт.

По принципу действия ЛОВ близки к магнетрону. Различие состоит в том, что замедляющая система ЛОВ является незамкну­ той, а катод вынесен из пространства взаимодействия. ЛОВ может быть как генератором, так и усилителем, в котором электронный поток взаимодействует с пространственной гармоникой замедляю-

290

щей системы. Для возникновения генерации высокочастотных ко­ лебаний между входом и выходом должна существовать обратная связь. Последняя обеспечивается тем, что энергия обратной волны движется в направлении, противоположном направлению движения потока электронов. При соблюдении определенных амплитудных и фазовых соотношений в системе возникнут автоколебания, частота которых будет определяться дисперсионными свойствами и напря­ жением замедляющей системы.

Схематическое устройство ЛОВМ показано на рис. 8.1. Элек­ троны, эмиттированные катодом 1, под действием электрического поля управляющего электрода 2 и магнитного поля описывают полупетлю циклоиды и попадают в пространство взаимодействия между отрицательным электродом 3 и замедляющей системой 4.

Изменение скорости движения электронов в пространстве взаи­ модействия приводит к изменению частоты генерируемых колеба­ ний. Отличительной особенностью ЛОВМ является наличие линей­ ной зависимости между частотой колебаний и напряжением замед­ ляющей системы.

Основными параметрами ЛОВМ являются: рабочий диапазон частот (коэффициент перекрытия), выходная мощность, коэффи­ циент полезного действия, уровень паразитных колебаний, равно­ мерность частотной характеристики.

Мощность генерируемых колебаний, как правило, возрастает с увеличением напряжения на замедляющей системе (рис. 8.2). Неравномерность амплитудной характеристики, являющаяся след­ ствием неодинакового согласования вывода энергии и поглотителя лампы с замедляющей системой в рабочем диапазоне частот, мо­ жет составлять несколько децибел. Уменьшение к. п. д. на краях

291

частотного диапазона может происходить из-за нарушения прямо­ линейности движения электронного пучка.

Изменение напряжения отрицательного электрода приводит к значительному изменению выходной мощности и частоты лампы. Характер этой зависимости показан на рис. 8.3. Как видно из рисунка, имеется оптимальное значение напряжения отрицатель­ ного электрода, при котором достигается максимальная мощность. При отклонении от этого оптимума мощность падает, что ограни­ чивает применение перестройки ЛОВМ путем изменения напряже­

Коэффициент полезного действия у ЛОВМ примерно в два раза выше, чем у ЛОВО, и достигает 35—45% во всем диапазоне пере­ стройки и около 60% в отдельных точках.

ЛОВМ склонна к генерации колебаний высших порядков, на­ зываемых паразитными или колебаниями боковых частот. Ампли­ туда паразитных колебаний может составлять от 1 до 30% от ам­ плитуды основной частоты. Паразитные колебания могут быть подавлены различными конструктивными способами и подбором рабочих характеристик. Практически это сводится к уменьшению длины замедляющей системы, увеличению диаметра луча и умень­ шению «высоты» влета электронов в пространство взаимодействия.

Благодаря возможности быстрой перестройки в широкой полосе частот ЛОВМ находят широкое применение в передатчиках помех. В частности, в США для систем радиопротиводействия выпущена серия ЛОВМ, перекрывающих диапазон частот от 1 до 11 Ггц с выходными мощностями от 125 до 235 вт, диапазоном перестройки в 25—33% и весом 7,5—12,3 кг. Эти приборы в работающем со­ стоянии способны выдерживать вибрацию с частотой 5—1500 гц при ускорении 2 g. В нерабочем состоянии они выдерживают при

2 9 2

такой же вибрации ускорение 5g и удар 15 g. Уровень мощности паразитной генерации более чем на 15 дб ниже мощности несущей, относительный температурный уход частоты не превышает 0,3— 0,4% после разогрева в течение 2 мин.

Другие выпускаемые серийные ЛОВМ в диапазоне от 1 до И Ггц имеют почти одинаковые питающие напряжения и уровни мощности, что позволяет унифицировать разработку станций по­ мех на различные частотные поддиапазоны с минимальной затра­ той времени и средств. Основные параметры некоторых ЛОВМ приведены в табл. 8.1.

Генераторные ЛОВМ непрерывно совершенствуются. В частно­ сти, исследуются ЛОВМ с инжектированным лучом, работающие при отрицательном (по отношению к катоду) напряжении на за­ медляющей системе и положительном напряжении на отрицатель­ ном электроде. В результате с одного из генераторов обратной волны в 10-см диапазоне получена выходная мощность около 500 вт при к. п. д. 10—20%. При этом мощность, рассеиваемая на замед­ ляющей системе, в 5—10 раз меньше мощности, рассеиваемой ЛОВМ в обычно принятом режиме.

Лампы обратной волны типа «М» применяются также для уси­ ления СВЧ колебаний и могут работать как в непрерывном, так и в импульсном режиме.

Основные параметры типовых ЛОВМ, работающих в усилитель­ ном режиме, приведены в табл. 8.2.

Разновидностью усилительных ЛОВМ являются приборы с хо­ лодным катодом, в частности битермитроны, карматроны, карпитроны и др.

В последнее время за рубежом большое внимание уделяют во­ просам экранировки ЛОВ. Экранировка почти в 100 раз ослабляет магнитное поле, которое на расстоянии 5 см от поверхности прибо­ ра (WJ-2006) уменьшается до 2 гаусс. В результате двойной экра­ нировки ЛОВ нормально работает по соседству с ферромагнитны­ ми материалами и другими СВЧ приборами. Это упрощает исполь­ зование ЛОВ в бортовой аппаратуре.

Ведутся также работы по сокращению веса и размеров ЛОВ. Так как основную часть веса прибора составляет фокусирующий магнит, то использование нового магнитного материала Almico V-7 снизило вес магнита в 8 раз, а лцнейные размеры ЛОВ вдвое.

Митроны относят к классу СВЧ приборов М-типа. В отличие от других генераторных устройств, например ЛОВМ, выходная высо­ кочастотная мощность и некоторые другие электрические характе­ ристики у них связаны с полосой электрической перестройки частоты. В связи с этим различают два основных типа митро­

нов:

— широкополосные митроны, характеризуемые отношением максимальной генерируемой частоты к минимальной, равным 2 : 1 или 3:1, при уровне выходной высокочастотной мощности от 50 до

1500 мвт;

— митроны с полосой электрической перестройки 5—20%

293

Приборы первого типа, обладающие низким уровнем собствен­ ных шумов и высокой скоростью перестройки, применяют в основ­ ном в качестве гетеродинов маломощных сигнал-генераторов с

риты— 15,5X7,5X6,3 см.

Фирма «Дженерал электрик» рекламирует митрон с выходной мощностью примерно 500 вт в полосе электрической перестройки частоты 2900—3400 Мгц. На рис.8.4 показаны амплитудные харак­ теристики митрона, полученные при работе ® двух режимах.

Для целей радиопротиводействия перспективным является так­ же создание прямошумовых генераторов на базе митронов. Гене­ рирование СВЧ шума достигается введением в область взаимодей­ ствия пространственного заряда большой плотности. Разработан-

295

ный опытный образец прямошумового генератора имеет электри­ ческую перестройку по частоте в диапазоне 2—4 Ггц с полосой шу­ ма ±5% при выходной мощности 0,2 вт. Предполагается, что при­ чиной шумовых колебаний является не белый шум, вносимый элек­ тронным потоком, а взаимодействие различных видов колебаний.

Наибольшее распространение в оконечных каскадах усиления станций помех для частот 0,5— 1 Ггц и выше получили ЛБВ.

Отличительной особенностью ЛБВ является их широкополосность. Диапазон частот типовых ЛБВ составляет октаву 2 : 1, а в отдельных случаях еще выше. Так, в частности, сверхширокополос­ ная ЛБВ типа 3003 имеет следующие параметры:

В большинстве случаев к. и. д. ЛБВ не превышает 15—25%. В свя­ зи с этим изыскиваются способы повышения эффективности ЛБВ. Например, предлагается вместо постоянного магнитного поля в фо­ кусирующей системе использовать магнитное поле, изменяющееся определенным образом. К. п. д. такой лампы с учетом цепи подо­ гревателя катода составляет 40%.

Чтобы добиться такого к. п. д., в ЛБВ использована фокуси­ рующая система, которая корректирует дополнительные дефокуси­ рующие силы вблизи выхода лампы. Механическая регулировка периодической системы магнитов в этой лампе выполнена более точно, чем в прежних лампах. Использованы и некоторые другие технологические новшества и достижения.

Сообщается также об аналогичной ЛБВ, но с двухступенчатым коллектором и с к . и. д. 50—55%. Новая ЛБВ заключена в метал­ ло-керамический корпус. Это позволяет использовать магниты меньших размеров, так как они могут укрепляться близко к спи­ рали. Металло-керамическая лампа имеет меньшие размеры и бо­ лее тонкие стенки, чем лампа в стеклянном баллоне. Ее вес 0,7 кг, т. е. составляет примерно одну треть веса стеклянной ЛБВ, приме­ няемой на связных спутниках «Реле». Металло-керамическая ЛБВ работает при выходных мощностях от 5 до 20 вт. Она имеет пло­

296

ский участок частотной характеристики в диапазоне от 3 до 4,6 Ггц. На частотах 2,5—3,5 Ггц ее к. п. д. превышает 30%. Усиле­ ние лампы при насыщении составляет 40 дб, коэффициент шумов менее 23 дб, предполагаемый срок службы 6 лет.

высказывается предположение, ч.то в ближайшие годы к. п. д. им­ пульсных ЛБВ будет увеличен до 50—70% за счет отсечки тока в

297

паузах между импульсами. Выпускаемые американской промыш­ ленностью мощные ЛБВ пакетированной конструкции с выходной мощностью в непрерывном режиме усиления (в октавной полосе пропускания) до 200 вт при воздушном охлаждении позволяют обеспечить разработку аппаратуры помех в диапазоне 1—18 Ггц. Ведутся работы по повышению мощности пакетированных ЛБВ до 1 квт. Сообщалось даже о разработке ЛБВ для станций помех

помех достигнуто па ЛБВ с встроенными источниками питания. На борту спутников в США обычно используются низковольтные источники питания, непосредственно от которых ЛБВ не может ра­ ботать, поэтому необходим конвертер, преобразующий низкое на­ пряжение в высокое. К- п. д. таких конвертеров зависит от уровня мощности, и лучшее его значение для мощности 1— 100 вт состав­ ляет 90%. Для получения максимального общего к. п. д. усилите­ ля (конвертер напряжения плюс ЛБВ) необходимо конвертер раз­ рабатывать применительно к данной ЛБВ. Поэтому некоторые ЛБВ стали выпускать вместе с выпрямителями на полупроводниках. Такие усилители (TWTA package), работающие в диапазоне ча­

ной прочностью. В настоящее время общий к. п. д. такого усили­ теля (ЛБВ плюс конвертер) в 3-см диапазоне доведен до 26%, прогнозируемое время между отказами 50 000 ч.

Работы по повышению к. п. д. бортовых космических ЛБВ про­ должаются. Уже заключено несколько контрактов на разработку ЛБВ с общим к. п. д. 45% и мощностью 10—20 вт (к. п. д. конвер­

298

тера-регулятора 85%). Исследуются возможности дальнейшего увеличения к. п. д. этим ЛБВ.

Что касается дальнейшего увеличения выходной мощности бор­ тового передатчика, то считается целесообразным до мощностей 100—200 вт использовать параллельное включение нескольких ЛБВ. Это повышает надежность работы передатчика и не требует новых дорогостоящих и длительных разработок, так как уже существует

0,3 Ггц у ЛБВ со сплошным лучом и обычным первеансом потре­ бовалась бы лампа длиной 76,3 см вместо 34 см. Благодаря малой длине прибора и большой величине отношения ширины ленты (из которой сделана спираль) к расстоянию между витками обеспечи­ вается отсутствие изрезанности характеристик .выходной мощности и усиления в рабочей полосе. Коэффициент шума ЛБВ не превы­ шает 35 дб во всей рабочей полосе.

Серьезную конкуренцию ЛБВ в метровом и дециметровом диа­ пазонах составляют триоды, в частности мощные французские триоды ТН302 и ТН328. Триоды обеспечивают усиление 20 дб в

299