Международные отношения
Ширина полосы усиления
- Подробности
- Категория: Международные отношения
Успешная разработка гироусилителя возможна только при условии подавления всех возможных нестабильностей режима усиления. Для этого необходимо понимание механизмов паразитного самовозбуждения при прохождении винтового электронного пучка в различных узлах гироусилителя, включая трубки дрейфа, области электроннооптических систем, удаленные от высокочастотных цепей, резонаторы и волноводы на нерабочих типах колебаний. На основе этих данных разрабатываются различные методы подавления неустойчивостей в гироусилителях. Находят широкое применение диэлектрические и поглощающие материалы (стержни и пластины), вводимые в различные узлы гироусилителей, позволяющие устранить паразитные автоколебания и значительно улучшить СВЧ характеристики усилителя 43, 54.
Для подавления паразитных колебаний в узлах высокочастотных цепей успешно применяются различные методы, включая создание продольных щелей в стенках резонаторов и волноводов, пересекающих токи паразитных типов колебаний.
Исследования путей построения гироусилителей начались в Советском Союзе еще в 1960 году и в Соединенных Штатах Америки в 1970 году. Широкая публикация многих результатов, достигнутых в СССР, оказалась возможной только в начале 90х годов. Сейчас имеется достаточная информация о разработках гироусилителей в период 6090 г. и оказывается возможным проследить пути преодоления многих проблем увеличения выходной мощности, КПД, коэффициента усиления, полосы усиливаемых частот.
Рассмотрим этапы разработок гироусилителей разных классов и проблемы достижения высоких энергетических и диапазонных характеристик.
1.2.3.1. Гироклистроны. Особенности построения и характеристики
Гироклистрон был изобретен в СССР в 1966 году 55 и независимо в США 56. Основные исследования и разработки в России и в бывшем СССР выполнены в Научноисследовательском радиофизическом институте (НИРФИ, г. Нижний Новгород), Институте прикладной физики Российской академии наук (ИПФ РАН, г. Нижний Новгород), Институте прикладной физики "Торий", Федеральном унитарном предприятии (ФГУП "Исток", г. Фрязино), Научноисследовательском институте "Орион" и в Киевском политехническом институте (г. Киев, Украина). Основные разработки в США выполнены в фирмах "Varan", Naval research laboratory (NRL).
Теоретическое определение параметров высокочастотной системы и винтового электронного потока для достижения максимальных энергетических и диапазонных характеристик гироклистрона базируются на численном интегрировании системы нелинейных уравнений, характеризующих взаимодействие электронов с высокочастотным полем в группирователе и в выходном резонаторе. Основные результаты анализа характеристик гироклистрона при отборе мощности от предварительно сгруппированного электронного пучка на входе в выходной резонатор 57, полученные в приближении заданного поля в цилиндрическом резонаторе на волне ТЕ011 и моноскоростном тонком трубчатом электронном пучке сводятся к следующему:
Параметры гироклистрона, определяющие устойчивое усиление, ограничены областью, в которой выполняются условия мягкого паразитного самовозбуждения. Область самовозбуждения существенно расширяется при увеличении относительной длины резонатора, а также при увеличении отношения поперечной и продольной скоростей электронов v/v. При использовании "коротких" резонаторов опасность самовозбуждения возрастает при больших величинах нагруженной добротности Qn. При увеличении длины резонатора L критическая величина нагруженной добротности уменьшается.
Вне области паразитных автоколебаний реализуется устойчивое усиление гироклистрона. КПД в режиме усиления возрастает при увеличении произведения (QL и прочих неизменных параметрах. Максимальным значениям соответствует режим работы вблизи области неустойчивости. Теоретически определенное максимальное значение поперечного КПД п±~70% достигается при значительных параметрах рассинхронизма. При отсутствии рассинхронизма КПД падает примерно в два раза.
Ширина полосы усиления обратно пропорциональна величине нагруженной добротности оконечного резонатора и примерно равна его "холодной" полосе пропускания.
Разработки в России для применения в радиолокационных системах проводились в диапазонах 35 ГГц и 94 ГГц. На частоте 35 ГГц созданы мощные гироклистроны импульсного и квазинепрерывного действия (ИПФ "Торий") 58:
а) Трехрезонаторный гироклистрон c длительностью импульса 100400 мкс и минимальной скважностью Q=12 на основной частоте циклотронного резонанса (n=1) с выходной мощностью 250 кВт, с КПД=35%, с полосой усиливаемых частот 1,4 %, с коэффициентом усиления 40дБ. Все три резонатора возбуждались на колебаниях типа ТЕ011.Параметры электрического питания: ускоряющее напряжение U0=55 кВ, ток /0=13 A. В приборе применялся трубчатый электронный пучок, формируемый трехэлектродной магнетронноинжекционной пушкой при осевом магнитном поле B0=1,2 T.
б) Двухрезонаторный гироклистрон с длительностью импульса 100 мкс и минимальной скважностью 2000 на основной частоте циклотронного резонанса (n=1), с выходной импульсной мощностью 750 кВт, КПД=24%, с полосой усиливаемых частот 0,6%, с коэффициентом усиления 20 дБ. Два резонатора возбуждались на колебаниях типа ТЕ021.Параметры электрического питания: ускоряющее напряжение U0=75 кВ, ток /0=45 A. В приборе применялся трубчатый электронный пучок, формируемый двухэлектродной магнетронноинжекционной пушкой при осевом магнитном поле B0=1,2 T. Мощность этого прибора являлась рекордной для гироусилителей 8миллиметрового диапазона волн. Данный гироклистрон был освоен промышленностью и нашел применение в РЛС 8миллиметрового диапазона волн.
Известна разработка импульсного гироклистрона в 8миллиметровом диапазоне на второй гармонике циклотронного резонанса (n=2), выполненная в ИПФ РАН 43. СВЧ параметры этого прибора были следующие: Ри=125 кВт, КПД=15%, А/=0,1%, Gmax=15 дБ (в режиме насыщения), U0=60 кВ, /0=13,5 А. Поливинтовой трубчатый электронный пучок формируется триодной магнетронноинжекционной пушкой в магнитном поле с индукцией B0=0,72 T. Максимальный уровень мощности этого прибора ограничивался возникновением паразитного самовозбуждения на колебаниях типа ТЕ011 на основной частоте циклотронного резонанса (n=1). В процессе разработки не удалось подавить эту неустойчивость.
В диапазоне частот 9294 ГГц в России разработаны мощные гироклистроны импульсного и непрерывного действия:
а) Четырехрезонаторный гироклистрон непрерывного действия на основной частоте циклотронного резонанса n=1), с выходной мощностью 2,5 кВт, КПД=25%, с полосой усиливаемых частот 0,33%, с коэффициентом усиления 30 дБ при насыщении (ИПФ РАН, ФГУП "Исток"). Четыре резонатора возбуждались на колебаниях типа ТЕ011. Параметры электрического питания: ускоряющее напряжение U0=22 кВ, ток /0=0,46 A. В приборе применялся трубчатый электронный пучок, формируемый трехэлектродной магнетронноинжекционной пушкой при осевом магнитном поле B0=3,7 T.
б) Четырехрезонаторный гироклистрон с длительностью импульса 100 мкс и минимальной скважностью 2000 на основной частоте циклотронного резонанса (n=1), с выходной импульсной мощностью 65 кВт, КПД=26%, с полосой усиливаемых частот 0,32%, с коэффициентом усиления 35 дБ (ИПФ РАН). Четыре резонатора возбуждались на колебаниях типа ТЕ011.Параметры электрического питания: ускоряющее напряжение U0=55 кВ, ток /0=4,5 A. В приборе применялся трубчатый электронный пучок, формируемый трехэлектродной магнетронноинжекционной пушкой при осевом магнитном поле B0=3,7 T.
Гироклистроны, разработанные в США в 70-80 ые годы для радиолокационных систем, в основном близки по СВЧпараметрам к приведенным выше для российских гироклистронов, но характризуются меньшими уровнями максимальной импульсной мощности. Эти приборы в диапазонах 35 ГГц и 94 ГГц работают на основной частоте гирорезонанса (n=1), применяют 23 резонатора на колебаниях типа ТЕ011 в цилиндрическом резонаторе 43. Последующее развитие гироклистронов в США (в NRL, в университете в Мэрилэнд) были направлены на увеличение пиковой и средней мощности на частотах 35 ГГц и 94 ГГц для применений в радиолокации. В Ка диапазоне в двух и трех резонаторных гироклистронах получены соответственно импульсные мощности 210 кВт при КПД=37% и полосе частот А/=0,3% и 225 кВт при КПД=31% и А/=0,8%. В Ждиапазоне в результате теоретической оптимизации всех узлов гироклистрона и режимов работы, включая стабильность усиления, была достигнута максимальная величина произведения РсрхА/ 59. В этой работе были получены параметры: Ри=115 кВт, Рср=10 кВт, КПД=32%, А/=600 Мгц. Значительные успехи достигнуты при разработке гироклистронов непрерывного действия в трехмиллиметровом диапазоне волн 60. Так, гироклистроны, разработанные в США (фирмы CPI, Ltton, NRL), содержащие 45 резонаторовнв волнах типа ТЕ0,1,1 характеризуются следующими параметрами в диапазоне 94 ГГц: выходная мощность 10 кВт, КПД>31%, усиление G>32 дБ, полоса усиления А///=(0,450,75)%
Сопоставление приведенных параметров гироклистронов, разработанных для радиолокационных систем, с достижимыми параметрами ЛБВ с линейным электронным пучком показывает, что по энергетическим параметрам (выходной мощности и КПД) гироклистроны значительно превосходят традиционные усилители бегущей волны, особенно в коротковолновой части миллиметровом диапазоне волн.
В 90ые годы прошлого столетия в США, в Институте плазменных исследований университета в г. Мэрилэнд получила значительное развитие разработка сверхмощных импульсных гироусилителей в сантиметровом диапазоне волн для современных линейных ускорителей с энергиями свыше одного TеВ 43. Во всех разработанных усилителях применяются входные резонаторы на волне типа ТЕ011, возбуждаемые магнетронами с уровнем импульсной мощности 100 кВт при длительности импульса т=2мкс. Гироклистроны выполнены по двух и трех резонаторной схемам и работают на гармониках циклотронной частоты n=1, 2, 3. Рабочими модами выходных резонаторов являются ТЕ021, ТЕ0331 для второй и третьей гармоники соответственно. Радиусы этих резонаторов выбраны так, чтобы не возбуждались частоты выходного сигнала на волне типа ТЕ011. Ускоряющие напряжения лежат в пределах 400 450 кВ, токи электронного пучка 190 250 А. Выходные сигналы в интервале частот /=1020 ГГц характеризуются уровнями импульсной мощности Ри=2030 МВт, а при /=30 ГГц Ри=2 МВт. Электронный КПД«30% в сантиметровом диапазоне волн. Для увеличения технического КПД до 50% применяется рекуперация. Подавление паразитных самовозбуждений достигнуто введением в трубки дрейфа колец из поглощающей непористой керамики (20% SC в 80% BeO), а также алюминосиликатной керамики, пропитанной углеродом.