книги из ГПНТБ / Радиотехнические системы в ракетной технике

Т а б л и ц а 8.4

ЛБВ средней и большой мощности, работающие в непрерывном режиме

Минимальные Максимальные

300

8.2.Твердотельные усилители и генераторы

Врезультате бурного развития твердотельные приборы вплот­ ную приблизились по основным параметрам к электровакуумным приборам. Малые вес и габариты и низкие питающие напряжения, упрощающие источники питания, делают твердотельные приборы особенно перспективными в бортовой аппаратуре космических ап­ паратов и ракет. Однако по уровню выходной мощности, полосе рабочих частот и коэффициенту усиления приборы на твердом теле

пока еще уступают электровакуумным приборам.

Среди всего многообразия твердотельных приборов можно вы­ делить транзисторы, варакторные диоды, туннельные диоды и СВЧ-приборы на объемном эффекте. Большинство из этих прибо­ ров может работать как в усилительном, так и в генераторном ре­ жимах. Ниже приводится краткая характеристика указанных ти­ пов твердотельных приборов.

Из всех твердотельных приборов, применяемых для генерации и усиления электромагнитных колебаний, наиболее освоенными яв­ ляются транзисторы. Современные транзисторы позволяют полу­ чить коэффициент усиления по мощности свыше 5 дб на частоте 4 Ггц и могут генерировать на частотах до 6 Ггц. Диапазон выход­ ных мощностей лежит в пределах от 50 вт на 500 Мгц до 75 мвт на 4 Ггц. Зависимость мощности и к. и. д. генерируемых колеба­ ний от частоты, характерная для некоторых экспериментальных и промышленных транзисторов США, представлена на рис. 8.9. Одно из существенных достоинств транзисторов: их высский к. л. д. в низкочастотной части СВЧ-диапазона; в непрерывном режиме на частоте 2 Ггц к. п. д. до 25%, а на 500 Мгц он может достигать

60%.

Варакторные диоды (диоды с переменной емкостью) с внешним возбуждением при помощи транзисторов могут обеспечивать вы­ ходную мощность в СВЧ-диапазоне намного большую, чем тран­ зисторы. Их можно использовать в качестве генераторов, па­ раметрических усилителей или преобразователей, повышающих

частоту.

Туннельные диоды используются в основном для усиления СВЧ-колебаний. Считается перспективным использование усилите­ лей на туннельных диодах в качестве элементов фазированных ре­ шеток бортовых РЛС.

СВЧ-приборы на объемном эффекте можно разделить на три основные группы: лавинно-пролетные диоды, диоды Ганна и при­ боры с ограниченным накоплением объемного заряда. Потенциаль­ ные возможности применения объемных приборов далеко не исчер­ паны. По всей видимости, они будут применяться в фазированных антенных решетках в качестве излучающих элементов.

Лавинно-пролетные диоды (ЛПД) относят к широкому классу генераторных устройств, в которых ударная ионизация исполь­ зуется для возбуждения лавины носителей заряда, дрейфующих затем в пролетной области и обусловливающих возникновение

302

отрицательного сопротивления и колебаний. В ЛПД величина ла­ винного тока весьма значительна, поэтому при работе в режиме не­ прерывных колебаний необходимо принимать меры для отвода теп­ ла. В разработанных в США ЛПД мощность 180 вт получена на частоте 800 Мгц, мощность 100 вт —• на частоте 2 Ггц (к. п. д. 20%) и 700 вт — на частоте 0,5 Ггц (к. п. д. 35%).

Указанные параметры получены на экспериментальных образ­ цах. Серийные же приборы имеют выходную мощность 10—100 мвт на частотах 8—26 Мгц при к. п. д. 1—5%. Лавинно-пролетные диоды могут также работать в режиме усиления.

В сентябре 1963 г. было опубликовано сообщение Дж. Б. Ганна об обнаруженном им эффекте генерации СВЧ-колебаний в объеме арсенида галлия при превышении напряжением смещения некото­ рого порового значения. Приборы, работающие по этому принципу, получили имя изобретателя.

Основное значение диодов Ганна — генерация высокочастотной энергии в диапазоне частот свыше 1 Ггц, хотя в принципе возмож­ но их использование в качестве усилителей. В настоящее время приборы, работающие на эффекте Ганна, еще значительно от­ стают от транзисторных генераторов по к. п. д. и уровню генери­ руемой мощности. Получению больших уровней мощности от дио­ дов Ганна препятствуют два фактора: трудности, связанные с от­ водом тепла, выделяющегося при работе прибора, и качество арсе­ нида галлия, из которого изготовляются генераторы. За рубежом развитие приборов, работающих на основе эффекта Ганна, идет по пути повышения генерируемой мощности и освоения более низ­ ких частот.

Генератор на эффекте Ганна относится к так называемым «про­ летным» приборам, т. е. приборам, у которых частота генерации определяется временем пролета электронов через область р-n пере­ хода. Время пролета носителей через р-n переход в обычных тран­ зисторах или туннельных диодах составляет лишь долю периода генерируемых колебаний. Частота возникающих колебаний прибли­ зительно обратно пропорциональна длине перехода и ориентиро­ вочно может быть вычислена как 107/L, гц (L в см).

Для диодов толщиной примерно 100 мкм напряжение, при ко­ тором поле достигает критической величины, составляет всего не­ сколько десятков вольт. Если учесть, что к. п. д. преобразования энергии в этих приборах уже в настоящий момент достигает не­ скольких процентов, то станет понятен интерес к использованию эф­ фекта Ганна для создания простых и эффективных генерагорев СВЧ-диапазона. От генератора Ганна уже получены параметры, которые являются рекордными для твердотельных СВЧ-генера-

торов.

Повышенный интерес, проявляемый к разработке и усовершен­ ствованию генераторов Ганна, видимо, приведет к тому, что в бли­ жайшем будущем эти генераторы смогут найти еще более широкое применение не только в качестве заменителей гетеродинов и кли­ стронов, но и как заменители лампы обратной волны или в каче-

304

стве самостоятельных источников СВЧ-мощноети в фазированных антенных решетках. В табл. 8.6 представлены основные характе­ ристики экспериментальных приборов, использующих эффект Ган­ на, разработанных различными фирмами США и Японии.

Табл. 8.7 содержит основные параметры, полученные к 1968 г. на генераторах в импульсном режиме.

* Режим ОНОЗ рассматривается ниже.

Как видно из приведенных таблиц, приборы на основе эффекта Ганна могут работать в широком диапазоне частот. Теоретиче­ ский анализ показывает, что верхняя граница генерируемых частот определяется 500 Ггц. К настоящему времени получена генерация на частоте 370 Ггц.

Наибольшая выходная мощность 3,5 вт в непрерывном режиме получена на частоте 1,5 Ггц. Однако при этом к. п. д. не превысил

0,5%.

Некоторый интерес представляет использование диодов Ганна для получения полупроводникового эквивалента лампового генера­ тора обратной волны. Диоды перестраиваются по частоте при по­ мощи сферы из железо-иттриевого граната (ЖИГ). По мнению американских специалистов, полупроводниковый эквивалент ЛОВ может оказаться достаточно компактным, легким, надежным и при­ годным для применения в аппаратуре радиопомех. Параметры по­ лупроводниковых эквивалентов ЛОВ приведены в табл. 8.8.

Т а б л vs ц а 8.8

Параметры полупроводниковых эквивалентов ЛОВ

меньший уровень шумов и более надежен, чем ЛОВ.

Диоды Ганна могут работать в режиме усиления. Типичная за­

хронизации отдельных ге­ нераторов Ганна рассмотрены в ряде работ. В одной из работ описан следующий эксперимент.

На диод, помещенный в резонатор, одновременно подавались

306

импульсное смещение несколько ниже пороговой величины и не­ прерывный синхронизирующий сигнал так, чтобы диод возбуждал­ ся в каждый период синхронизирующего напряжения. При этом вслед за изменением частоты синхронизирующего сигнала наблю­ дался сдвиг частотного спектра генератора Ганна. Для управления фазой генератора Ганна мощностью 22 мвт требовался источник синхронизирующего сигнала мощностью 7 мвт. При объединении генераторов Ганна в группы основная трудность фазовой синхро-

Ганна

низации связана с независимым возбуждением генераторов. Струк­ турная схема антенной решетки Х-диапазона с четырьмя синхрони­ зированными то фазе генераторами приведена на рис. 8.11.

В решетке использовались генераторы Ганна, имеющие им­ пульсную мощность примерно 250 мвт каждый. Импульсный режим каждого генератора обеспечивался формирователем импульсов. Ге­ нераторы сихронизировались по фазе с помощью импульсного сиг­ нала, подаваемого от задающего генератора. При частоте повторе­ ния 1000 имп/сек длительность импульсов составляла 0,7 мксек.

На основе анализа диаграмм направленности решетки, получен­ ных в режиме излучения и приема колебаний, специалисты пришли к выводу, что антенные решетки аналогичного типа могут явиться основой для создания бортовых РЛС с электронным сканирова­ нием.

В 1966 г. Коплэндом (США) было обнаружено, что при соблю­ дении некоторых условий можно избавиться от зависимости часто­ ты генерируемых колебаний от размеров диодов Ганна,

307

Предложенный им режим (LSA) ограниченного накопления объемного (пространственного) заряда или сокращенно ОНОЗ (ОНПЗ) тщательно исследуется. Расчеты подтверждают возмож­ ность получения импульсной мощности >1 квт от диода Ганна, работающего в режиме ОНОЗ.

Режим ОНОЗ возникает следующим образом. Если на диодах Ганна достаточно быстро менять напряжение, то объемный заряд не будет успевать следить за полем и возможно возникновение от­ рицательного сопротивления. Нужно только, чтобы частота изме­ нения напряжения не превышала частоту, с которой дрейфовая скорость может следовать за изменением поля. Поскольку послед­

При подключении к диоду в качестве нагрузки резонатора диод можно будет заставить генерировать на частотах, при которых его проводимость отрицательна.

В противоположность ганновскому режиму колебаний частота в этом случае определяется не длиной диода, а внешней цепью (ре­ зонатором). Основным преимуществом режима ОНОЗ перед ганновским режимом является независимость частоты генерируемых колебаний от длины диода. Эта особенность режима ОНОЗ позво­ ляет подводить к диодам, работающим даже на очень высоких ча­ стотах, сравнительно большие напряжения и, следовательно, полу­ чать высокие мощности генерации. С помощью генераторов Ганна, работающих в режиме ОНОЗ, теоретически возможно получить мощности непрерывных колебаний порядка нескольких ватт в диа­ пазоне частот 30—300 Ггц с к. п. д. 20% и киловатты в им­ пульсном режиме. В табл. 8.7 приведены некоторые параметры приборов, работающих в режиме ОНОЗ.

8.3.Антенные устройства

Кантеннам космических объектов за рубежом предъявляют ряд требований, которые не играют решающей роли в антеннах другого назначения. Такие антенны, например, должны работать при очень высоких и при очень низких температурах, в вакууме при большом уровне радиации, иметь малые вес и размеры, вы­ сокую надежность, достаточную электрическую прочность в усло­ виях пониженного давления.

Наряду со многими отрицательными воздействиями окружаю­

ляется возможность применения очень больших и легких антенн, например в виде надувных баллонов, покрытых металлизирован­ ной фольгой.

Антенны, применяемые на космических объектах, весьма разно­ образны.

308

Известными достоинствами обладают логопериодические ча­ стотно-независимые и сверхширокополосные антенны. Наименьшие габариты и вес имеют конические спиральные антенны, которые целесообразно использовать в системах радиопротиводействия и радиоразведки в качестве облучателей для параболических реф­ лекторов, представляющих собой раскрывные или надувные ан­ тенны.

Возможно также применение утопленных укороченных антенн с вторичным излучением. Такие антенны, встроенные заподлицо на глубину около 0,5 X в несущую поверхность, удобны для установки на самолетах, ракетах и спутниках. Можно получить высокий коэффициент усиления, если встроить несколько укороченных ан­ тенн с вторичным излучением в увеличенный объемный резонатор.

Складные антенны для работы в космосе. Необходимость в разработке складных антенн возникает в тех случаях, когда тре­ буется использовать антенные апертуры, размеры которых превы­ шают габариты космического объекта. При этом возникает ряд трудностей конструктивного характера, которые в основном можно разделить на две части: установка большой антенны в свернутом виде, внутри корпуса объекта и развертывание антенны в космосе после выхода объекта на орбиту.

Характеристики больших складных антенн чаще всего значи­ тельно лучше характеристик антенн с фиксированной апертурой. Так, складные антенны обеспечивают больший коэффициент уси­ ления при относительно небольшом увеличении веса. Дополнитель­ ными требованиями к таким антеннам являются:

—малое потребление мощности механизмами развертывания;

—высокий коэффициент «свертываемости», характеризующий­ ся отношением диаметров отражателя антенны соответственно в развернутом и свернутом состояниях;

—высокий коэффициент р полезного веса антенны, определяемый отношением общего веса антенной системы к площади апертуры;

—высокая надежность.

В разрабатываемых антеннах отношение диаметров антенны в развернутом и свернутом состояниях лежит в пределах от 2 до 10, а среднее значение р составляет около 1,5 кг/м2.

Раскрывающиеся антенны разрабатываются как для связных, так и для радиолокационных систем. Так, в США разработана легкая бортовая радиолокационная антенна спутника, раскрываю­ щаяся на орбите в заданный момент времени. Антенна представ­ ляет собой параболический цилиндр с апертурой 7,3X1 м, соеди­ ненный со щелевой антенной решеткой. Отражатель, состоящий из семи жестких слоистых панелей, соединенных между собой шар­ нирами, во время хранения имеет размеры 0,9X1,2X2,7 м и может быть выведен наружу через люк размерами 81X106 см.

По мнению американских специалистов, антенны должны отве­ чать следующим требованиям:

— размеры неровностей поверхности не должны превышать 1/16 длины волны, на которую рассчитана антенна;