3.6. Вопросы конструирования лбв

3.6.1. Выбор ЗС ЛБВ

В зависимости от уровня выходной мощности различают входные, промежуточные и выходные ЛБВ. К первому типу относятся малошумящие и сверхмалошумящие ЛБВ с выходной мощностью, не превышающей обычно единиц милливатт, предназначенные для усиления малого сигнала на входе радиолокационных приемников, приемников радиорелейной связи и т. п. Второй тип ЛБВ отличается от первого более высоким уровнем мощности, доходящим до сотен милливатт, и менее жесткими требованиями к уровню шумов. К третьему типу можно отнести ЛБВ с выходной мощностью, превышающей единицы ватт. Особое место среди выходных ЛБВ занимают приборы, мощность которых в непрерывном режиме достигает сотен ватт или нескольких киловатт, а в импульсном режиме – нескольких мегаватт.

В малошумящих и маломощных ЛБВ наиболее широко применяются ЗС в виде одиночной спирали, используемые в режиме основной замедленной волны. Этот тип систем обеспечивает наибольшую широкополосность при достаточно высоком сопротивлении связи, если замедление волны велико и соответствует ускоряющему напряжению, не превышающему примерно 10 кВ. Вместе с тем спираль имеет простую конструкцию и обеспечивает широкополосное согласование с входным и выходным трактами.

Спираль изготавливается обычно из немагнитного материала –вольфрамовой или молибденовой проволоки. Шаг спирали на обоих ее концах плавно увеличивается для получения согласования. На однородном участке спирали фазовая скорость волны и соответствующая величина постоянного ускоряющего напряжения определяются по геометрическим размерам спирали с помощью приближенных уравнений (3.2) и (3.4).

Чем короче рабочая длина волны, тем меньше при заданном замедлении должен быть радиус спирали а. Это обусловлено тем, что во всякой ЗС электрическое поле замедленной волны быстро убывает по мере удаления от поверхности системы [1]. Заметный спад поля происходит на расстоянии порядка половины замедленной длины волны_зам, которая тем меньше, чем короче длина волныв свободном пространстве. Если радиус спирали приближается к_зам или превышает ее, то на электроны, двигающиеся вблизи оси спирали, действует весьма слабое поле.

С другой стороны, очень большое уменьшение диаметра спирали нежелательно как из конструктивных соображений, так и ввиду уменьшения тока пучка, который можно пропустить через сечение спирали при неизменной плотности тока. Таким образом, для каждой величины существует оптимальная величина радиуса спирали, которая определяется из максимума коэффициента усиления на средней частоте рабочей полосы ЛБВ.

Для большинства ЛБВ радиус спирали лежит в пределах

. (3. 81)

Величина коэффициента замедления , входящего в (3.81),в условиях синхронизма может быть связана с ускоряющим на-

пряжением U₀простыми соотношениями

. (3.82)

Задавшись ускоряющим напряжением U₀,можно для заданной длины волныс помощью (3. 81) и (3.82) ориентировочно вычислить радиус спиралиа.

В миллиметровом диапазоне волн радиус спирали должен быть очень малым. Так, на волне = 5 мм даже при сравнительно высоком ускоряющем напряженииU₀ = 7 кВ средний диаметр спирали по соотношениям (3.81) и (3.82) должен составлять 0,330,66 мм.Создание такой спирали и пропускание через нее тонкого электронного пучка технически еще возможно, если использовать, например, проволоку или ленту. Однако дальнейшее укорочение рабочей длины волны при использовании спиральной ЗС представляется затруднительным. Поэтому в ЛБВ миллиметрового диапазона часто находят применение ЗС типа одиночной или двойной гребенки.

Рабочая полоса частот ЛБВ миллиметрового диапазона обычно находится в пределах 5–7 % относительно средней частоты.

При использовании гребенки в режиме первой положительной пространственной гармоники удается значительно увеличить шаг системы в сравнении с шагом, который потребовался бы при работе на основной замедленной волне. Этот тип ЗС имеет более жесткую конструкцию, чем спираль, и более высокую теплорассеивающую способность.

Недостаточно высокая теплорассеивающая способность спирали особенно сильно проявляется при переходе к большим мощностям. В дециметровом и сантиметровом диапазонах волн для улучшения теплоотвода спираль изготавливается иногда из тонкой металлической трубки, по которой циркулирует охлаждающая жидкость.

Спирали присущ и другой недостаток, который затрудняет использование ее при весьма высоких мощностях. Дело в том, что при повышении мощности приходится увеличивать постоянное ускоряющее напряжение U₀и, следовательно, повышать фазовую скорость волны и уменьшать коэффициент замедления.

Сопротивление связи на основной волне при этом уменьшается и стремится к нулю при К_зам 1. Лампа со спиралью при большой величинеU₀приобретает склонность к самовозбуждению на пространственных гармониках. Этот режим, играющий основную роль в генераторных ЛОВ, делает практически невозможным создание усилительных ЛБВ со спиральной ЗС при ускоряющих напряжениях, превышающих 10 кВ. Максимальная выходная мощность, которую можно получить при реально осуществимых первеансах электронного потока, составляет единицы киловатт. Выходным мощностям мегаваттного уровня, для сравнения, соответствует ускоряющее напряжение порядка 100 кВ.

Более пригодной для мощных ЛБВ является ЗС типа диафрагмированного круглого волновода, возбужденного на волне типа Е_01.. Замедление волны обеспечивается периодическими неоднородностями – металлическими диафрагмами с центральными отверстиями, через которые пропускается электронный поток. Для расширения полосы пропускания такой цепочки используются отверстия в диафрагмах, обеспечивающие дополнительную электромагнитную связь между соседними резонаторами.

Такие ЛБВ имеют рабочую полосу частот ~ 15–20 % относительно средней частоты.

Следует отметить, что мощные ЛБВ имеют сравнительно большие массы и размеры. Ускоряющие напряжения мощныхЛБВ тоже велики, однако они обладают большой долговечностью и высокой напряженностью. Срок службы ЛБВ доходит до 50000 ч,а прогнозируемый срок службы составляет 100000 ч [11].

Мощные ЛБВ характеризуются хорошим сочетанием параметров, хотя и уступают по некоторым из них усилителям на каскадных клистронах (по коэффициенту усиления) и на приборах типа М (по КПД, размерам и напряжениям).

3.6.2. Параметры современных отечественных ЛБВ

Лидирующая роль в разработке мощных ЛБВ в нашей стране принадлежит ФГУП «НПП «Торий». Для РЛС системы ПРО, обеспечивающей в дециметровом диапазоне мониторинг космического пространства, им разработана принципиально новая для своего времени мощная ЛБВ непрерывного действия. Использование в качестве замедляющей системы модифицированной спирали из охлаждаемых водой медных трубок, позволило решить проблему отвода тепла и поднять значение выходной мощности до 100 кВт в непрерывном режиме. Вместе с широкополосностью и уникальным комплексом других параметров эта ЛБВ значительно превышала зарубежный уровень и сегодня она является наиболее мощной лампой в мире. Использование в этой ЛБВ электронно-оптической системы, формирующей полый электронный поток, позволило получить рекордное время непрерывной работы лампы в аппаратуре - более 100 тыс. часов.

Однако в связи с прекращением работ по ПРО дальнейшее развитие ЛБВ пошло по пути разработок импульсных ЛБВ на замедляющих системах типа цепочки связанных резонаторов для РЛС наземного и самолетного базирования.

Развитие этих ЛБВ, в первую очередь, было связано с необходимостью уменьшения массы и габаритных размеров магнитных фокусирующих систем. Известным методом уменьшения массы ЛБВ являлось совмещение магнитных периодических фокусирующих систем (МПФС) с замедляющей системой, хотя это существенно усложняет разработку прибора, так как размеры замедляющей и фокусирующей систем нельзя менять независимо. К тому же становится принципиально невозможным создание гладкого пучка. Увеличение уровня мощности приводит к увеличению плотности тока в пучке, что затрудняет создание необходимого фокусирующего и формирующего пучок поля. Задача становится особенно сложной для приборов, работающих в коротковолновой части сантиметрового диапазона, где сильно уменьшаются допустимые размеры пролетного канала.

Основная проблема при разработках таких ЛБВ с МПФС связана с динамическим токооседанием. В ЛБВ с однородным фокусирущим полем токооседание, обусловленное динамической расфокусировкой или перефокусировкой потока может быть полностью исключено за счет роста фокусирующего поля. В ЛБВ с периодически меняющимся полем процессы баланса кулоновской, центробежной и лоренцевской сил выполняются в статическом пучке лишь в среднем за период. В нулях магнитного поля сила Лоренца отсутствует, а в пиках она в 4 раза превышает силу расталкивания. Поэтому радиальное ускорение пучка больше, чем в однородном поле, и, соответственно, больше доля перефокусированных электронов.

В мощных ЛБВ с МПФС за счет подбора магнитного поля можно обеспечить статическое токопрохождение не меньше 95-97 %. Динамическое токопрохождение оказывается значительно хуже. Обычно динамическое токооседание проявляется на оконечном участке прибора, приводя к сильному нагреву пролетного канала, а при большой средней мощности - даже к его расплавлению.

Достаточно эффективным средством борьбы с динамическим токооседанием является настройка МПФС. Она позволяет устранить конструктивную несоосность магнитного поля и геометрической оси прибора. К этой несоосности приводят вырезы в магнитах под ввод и вывод энергии, вырезы в полюсных наконечниках под окна связи, а также вырезы для размещения выносных нагрузок. Помимо конструктивных несоосностей обязательно присутствуют несоосности, связанные с разбросом размеров деталей и узлов в пределах заданных допусков. Все это вызывает наклон условной оси прибора относительно оси пушки на 20-40°.Установка шунтов и дополнительных магнитов в определенных местах позволяет получить токопрохождение более 90 % в динамическом режиме во всем диапазоне рабочих частот.

В качестве замедляющей системы в таких ЛБВ в большинстве случаев использовались системы типа диафрагмированного волновода. Диафрагмы совместно с окнами связи образовывали цепочку связанных резонаторов из трех секций, нагруженных на выносные согласованные нагрузки. Корпус ЗС и диафрагмы охлаждались водой. Дисперсионные характеристики секций выбирались таким образом, чтобы обеспечить усиление на единицу замедленной длины волны не менее 3,5дБ. Коллектор прибора был снабжен устройством, заставлявшим встречные электроны, отраженные от коллектора, оседать в области предколлектора. Катод пушки - оксидный, с активной присадкой циркония, что позволяло снимать с него плотность тока 4 А/см² при длительности импульса до 30 мкс.

При использовании ЛБВ в бортовых РЛС в режиме "воздух-воздух" необходимы малая импульсная мощность и высокая частота повторения импульсов. В режиме "воздух-земля" наоборот, нужна высокая импульсная мощность при низкой частоте повторения. Причем средняя мощность должна быть высокой в обоих режимах.

Для создания такой ЛБВ необходима электронная пушка, мощность пучка которой меняется в 10 раз при переходе из одного режима работы в другой. При этом токопрохождение пучка не должно ухудшаться. Если учитывать, что в таких ЛБВ обычно используются для фокусировки потока МПФС, остро реагирующие на величину тока луча, то одной из самых важных задач при создании этих ЛБВ была проблема создания соответствующей электронно-оптической системы с низковольтным управлением по току луча.

Основным недостатком двухрежимной ЛБВ является низкий КПД в режиме малой импульсной мощности. Поэтому для увеличения КПД необходимо использовать коллекторы с рекуперацией, позволяющие получить КПД не менее 18 % .

В двухрежимных ЛБВ также, как и в обычных, применялась система типа ЦСР, причем для увеличения КПД и полосы использовалась настройка дисперсии отдельных секций так, что выходная секция обеспечивала максимальную мощность и КПД во всей полосе рабочих частот. Промежуточные секции имели низкочастотную границу полосы пропускания вблизи высокочастотной границы полосы рабочих частот, т. е. работали за пределами "холодной" полосы пропускания прибора [7]..

Некоторые технические данные разработанных ЛБВ приведены в таблице 3.1.

В настоящее время спрос на ЛБВ определяется в основном потребностями бортовых систем. Коэффициент полезного действия мощных ЛБВ даже с рекуперацией сильно уступает клистронам, которые являются их основным конкурентом на рынке СВЧ-приборов.