4.5. Особенности устройства и применения лбв

Лампы бегущей волны в зависимости от уровня выходной мощности в ре­жиме насыщения как и другие электровакуумные приборы, подразделяются на следующие классы: маломощные (доли милливатта — 1 Вт), средней мощности (1—100 Вт), большой мощности (более 100 Вт) и сверхмощные (более 100 кВт). По режиму работы ЛБВ бывают импульсного и непрерывного действия.

Для фокусировки электронного потока в первых разработанных ЛБВ приме­няли соленоиды, которые обычно громоздки и имеют большую массу. Сущест­венно уменьшить габариты и массу ЛБВ удалось путем применения периодиче­ской фокусировки электронных потоков с использованием как электростатиче­ских, так и магнитных линз. Лампы с периодической магнитной фокусировкой называются пакетированными. В настоящее время для периодической магнитной фокусировки в ЛБВ (так же, как и для многорезонаторных клистронов) при­меняются магниты из самарий-кобальтового сплава, обладающего высокой, коэрцитивной силой, которые имеют малые размеры.

В широкополосных ЛБВ малой и средней мощностей применяются спираль­ные замедляющие системы, характеризующиеся широкой полосой пропускания (до нескольких октав). Трудности теплоотвода от спирали сдерживают при­менение этой замедляющей системы для более мощных приборов. В настоящее время в ЛБВ со спиральной замедляющей системой достигнут уровень выход­ной мощности в непрерывном режиме примерно 1 кВт в диапазоне 5—10 ГГц. Однако работы по улучшению теплоотвода продолжаются, и в будущем воз­можно увеличение уровня выходной мощности.

В мощных ЛБВ в качестве замедляющих систем применяются цепочки свя­занных резонаторов (ем. 6, 7 рис. 4.3). Полоса пропускания в таких ЛБВ мень­ше, но уровень мощности в непрерывном режиме достигает 15 кВт на часто­те 10 ГГц.

Маломощные ЛБВ применяются для усиления входных сигналов в различ­ных приемниках СВЧ, в частности во входных усилителях ретрансляционных, станций радиорелейных линий связи. Как правило, такие ЛБВ являются малошумящими.

Средней мощности ЛБВ используются в качестве промежуточных усилите­лей, а также в качестве выходных усилителей мощности в маломощных передат­чиках. На рис. 4.7 приведены ЛБВ средней мощности: 1 — УВ-7 вместе с фокусирующей системой в виде соле­ноида; 2 — УВ-229 без соленоида; 3 — ЛБВ с периодической фокуси­рующей системой из постоянных магнитов.

Рис. 4.7

Для ЛБВ средней мощности, используемых в системах связи, проводятся исследования по уве­личению КПД и уменьшению не­линейных искажений. Эти две про­блемы противоречивы. В радио­релейных линиях связи проблема повышения КПД не столь остра, как для ЛБВ, используемых в кос­мосе, где для повышения КПД приходится мириться с увеличени­ем нелинейных искажений. Коэф­фициент преобразования АМ/ФМ в космических ЛБВ обычно 4,5- 6 град/дБ, в то время как для радиорелейных систем 1,5 - 4 град/дБ.

Приведем параметры ЛБВ средней мощности для систем космической свя­зи ТН3525 (Франция), в которой успешно решены обе проблемы. Полоса пропу­скания этой ЛБВ 0,75 ГГц, а выходная мощность 20 Вт. Неравномерность ча­стотной характеристики в полосе частот 125 МГц составляет ±0,2 дБ. Комби­национные составляющие третьего порядка при одинаковых уровнях двух не­сущих в режиме насыщения 11 дБ, коэффициент преобразования АМ/ФМ в од­носигнальном режиме не более 6 град/дБ, а в двухсигнальном — менее 4,5 град/дБ. Фазовый сдвиг при переходе от линейного режима к режиму насыщения 36°, а изменение времени задержки 0,5 нс. Общий уровень гармоник в режиме насыщения 15 дБ. В ЛБВ ТН3525 применена трехсекционная замедляю­щая система: первые две секции с постоянными, но различными для каждой секции шагом спирали, третья — с постоянно уменьшающимся шагом. Для по­вышения КПД применено понижение напряжения коллектора (рекуперация энергии). Общий КПД 40%.

Крупным техническим достижением в области космической связи стало так­же создание ЛБВ средней мощности ТL 12024 (ФРГ) с рекордным комплексом параметров: КПД 46% при выходной мощности 20 Вт, коэффициент преобразо­вания 2,5 град/дБ, масса 0,65 кг, долговечность 500 тыс. ч.

Мощные и сверхмощные ЛБВ применяются в передатчиках радиолокацион­ных станций различного назначения, в наземных станциях систем космической связи и т. д. Для мощных ЛБВ основное внимание уделяют получению макси­мально возможного КПД и выходной мощности.

Существующие ЛБВ перекрывают диапазон 0,5—100 ГГц. В последние по­ды (1978—1980 гг.) разработано много ЛБВ для систем космической связи на частотах выше 10 ГГц. Это ЛБВ средней мощности для спутников и мощные ЛБВ для наземных систем. В то же время промышленность почти прекратила выпуск малошумящих ЛБВ на частотах до 8 ГГц в связи с большими успеха­ми в разработке малошумящих транзисторных усилителей и сократила произ­водство некоторых мощных ЛБВ непрерывного действия в дециметровом диа­пазоне. Проводятся перспективные разработки ЛБВ для спутников в диапазо­нах частот 40 и 80 ГГц. Продолжаются работы по уменьшению габаритов и массы ЛБВ средней мощности. Созданы ЛБВ непрерывного действия с полосой частот в две октавы при выходной мощности 1 Вт и импульсные ЛБВ с полосой частот более октавы при выходной мощности 1 кВт и около октавы при 15 кВт.

Развитие систем радиопротиводействия вызвало необходимость разработок двухрежимных ЛБВ, которые в зависимости от режима питающих напряжений могут обеспечить попеременно импульсный или непрерывный режим работы. Применение таких ЛБВ приводит к существенному уменьшению массы и габа­ритов бортовой аппаратуры. Эти ЛБВ сложнее однорежимных, поэтому трудно получить хорошие КПД и высокое отношение импульсной мощности к непре­рывной, которое составляет примерно 2,5 в диапазоне 6—15 ГГц и достигает 4—6 на частотах ниже 6 ГГц.

Одним из перспективных направлений развития ЛБВ является разработка ламп, замедляющая система которых и некоторые другие элементы выполня­ются путем напыления металлов на керамические платы. В будущем предпола­гается полный переход от объемных на планарные печатные элементы, которые изготавливаются технологическим процессом, аналогичным принятым в микро­электронике для интегральных схем. Пленочная технология обеспечивает высо­кую точность изготовления мелкоструктурных замедляющих систем с жесткими допусками, а также сложных замедляющих систем, которые трудно выполнить обычными методами.

Миниатюрные ЛБВ на печатных элементах характеризуются малыми раз­мерами, низкой стоимостью и хорошей повторяемостью параметров от лампы, к лампе. Это делает их перспективными для применения в фазированных антен­ных решетках, где вопросы стоимости и идентичности параметров ламп, высту­пают на первое место. Параметры зарубежных приборов лежат в пределах: диапазон частот 3—6 ГГц, выходная мощность в непрерывном режиме 20— 200 Вт, в импульсном — 200—2000 Вт, усиление 13—20 дБ, КПД 20—30%. Разрабатываются ЛБВ как для непрерывного, так и для импульсного режимов работы.