Лампы бегущей волны (ЛБВ) остаются одним из основных типов электровакуумных приборов СВЧ. ЛБВ используются в качестве выходных широкополосных усилителей аппаратуры радиосвязи, обеспечивающей передачу информации на большие расстояния, применяются в бортовой и наземной аппаратуре систем спутниковой связи, а также в качестве усилителей станций магистральных радиорелейных линий связи и в передатчиках радиолокационных станций различного назначения.
В системах спутниковой связи широкое применение находят узкополосные спиральные ЛБВ с шириной рабочей полосы не более 5 — 10%. К этим ЛБВ предъявляется комплекс противоречивых требований, обусловленный условиями их работы в бортовой и наземной радиотехнической аппаратуре систем спутниковой связи.
Кроме необходимости получения высокого КПД это, прежде всего — требование минимальных нелинейных искажений усиливаемых сигналов. В системах спутниковой связи необходимо усиливать либо один сигнал, либо одновременно несколько сигналов с близкими частотами. Поэтому в ЛБВ, как и в любом нелинейном элементе, возникают следующие искажения: изменение фазы сигнала на выходе в зависимости от уровня входного сигнала, появление в спектре выходного сигнала составляющих с частотами, кратными частотам усиливаемых сигналов, а также сигналов на суммарной частоте, появление комбинационных составляющих. Операторы спутниковой связи выдвигают жесткие требования к уровню комбинационных составляющих. Например, по регламенту ОАО «Российские космические системы» уровень комбинационных — составляющих третьего порядка должен составлять не более -20 дБ от уровня полезных сигналов.
В результате приходится снижать выходную мощность ЛБВ до достижения слабонелинейного (рабочего) участка амплитудной характеристики. Выходная мощность при этом должна быть на 3.6 дБ меньше, чем мощность насыщения лампы. Следовательно, на рабочем участке сильно уменьшается электронный КПД. Поэтому для повышения КПД спутниковых ЛБВ обычно применяют рекуперацию энергии электронов в многоступенчатом коллекторе.
Однако в режиме подачи постоянных потенциалов на ступени коллектора возможности для увеличения КПД за счет рекуперации ограничены. Важным стимулом к повышению КПД и, следовательно, к уменьшению массы спутниковой ЛБВ, остаются экономические требования. Например, уменьшение мощности источника питания на 1 Вт дает экономию в 5500 евро, а уменьшение массы на 1 кг — в 55 000 евро. Поэтому для ЛБВ, используемых в системах спутниковой связи, актуальными задачами являются: увеличение КПД на слабонелинейном участке, а также уменьшение нелинейных искажений при многочастотном взаимодействии на всем участке амплитудной характеристики. Однако эти две задачи противоречивы, следовательно, решить их можно только в результате оптимизации всего комплекса выходных параметров СВЧ усилителя, включая параметры вторичных источников электропитания.
Улучшению выходных параметров спутниковых ЛБВ посвящено много теоретических исследований, связанных с именами известных отечественных и зарубежных ученых: Кудряшова В. П., Мякинького Ю. П., Милютина Д. Д., Баширова P.A., Азова Г. А., Нудельмана Я.E., Солнцева В. А. Каца А.М., Сивякова Б. К., Wallander S., Nilsson О., Strauss R., Kosmahl H.G., Rowe J. и др.
В результате интенсивного развития теории ЛБВ с неоднородными замедляющими системами (ЗС) предсказана возможность повышения КПД до 80%. Исследованы различные пути уменьшения нелинейных искажений в многочастотном режиме.
Однако экспериментальных работ в этой области сравнительно мало. Вопросы, связанные с улучшением комплекса энергетических и массогабаритных параметров всего СВЧ усилителя, выполненного на основе ЛБВ, включая параметры и режимы работы вторичного источника питания, в режиме усиления однои многочастотного сигналов недостаточно изучены. Кроме того, для инженерной практики важно найти, на основе проведенных экспериментов, приближенные выражения, которые позволили бы разработчикам новых систем спутниковой связи оперативно предсказать, хотя бы на начальной стадии проектирования, оптимальные режимы работы этих приборов.
Исходя из вышеизложенного, проблема создания мощных высокоэффективных спиральных ЛБВ с минимальными габаритами и массой, предназначенных для использования в качестве выходных усилителей в станциях спутниковой связи, является актуальной в настоящее время.
Цель работы: повышение КПД спиральных ЛБВ в составе СВЧ усилителя для спутниковой связи, работающих в режиме усиления однои многочастотного сигналов с минимальным уровнем нелинейных искажений в рабочем диапазоне частот усиливаемых сигналов.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
1. Исследование и анализ, известных к настоящему времени, путей увеличения КПД спиральных ЛБВ и способов уменьшения нелинейных искажений при многочастотном взаимодействии.
2. Экспериментальное исследование амплитудно-фазовых характеристик и спектра выходного сигнала в одночастотном и двухчастотном режимах работыи разработка методик уменьшения нелинейных искажений в ЛБВ (уровня комбинационных составляющих и коэффициента амплитудно-фазового преобразования) в двухчастотном режиме, при сохранении высокой эффективности взаимодействия на основных частотах.
3. Теоретическое и экспериментальное исследование влияния разброса по энергиям электронов в многоступенчатом коллекторе при различных режимах рекуперации и усиления сигналов в спиральной ЛБВ, и определение путей дальнейшего улучшения выходных параметров усилителя мощности, выполненного на основе этого прибора.
4. Обобщение результатов проведенных исследований. Выработка рекомендаций для создания промышленного выпуска усилителей, выполненных на основе спутниковых ЛБВ, соответствующих современному уровню технического прогресса.
Научные положения и результаты, выносимые на защиту:
1. Для существенного снижения уровня комбинационных составляющих третьего порядка (на 10−15 дБ) в ЛБВ, работающей в двухчастотном режиме усиления, достаточно подать на ее вход третий дополнительный смодулированный сигнал с амплитудой, соответствующей уровню насыщения по суммарной выходной мощности, отстроенный по частоте на 5 — 15%, с произвольной начальной фазой.
2. Подача в двухчастотном режиме на вход ЛБВ дополнительного немодулированного сигнала с отстройкой по частоте на 5 — 20% позволяет уменьшить коэффициент амплитудно-фазового преобразования в 2 — 3 раза при незначительном снижении электронного КПД.
3. Выбор значений потенциалов на секциях многоступенчатого коллектора в соответствии с энергетическим спектром электронов на выходе из пространства взаимодействия ЛБВ, в режимах с выходной мощностью на 6 — 15 дБ меньше максимального уровня, позволяет увеличить КПД в этих режимах в 2−3 раза.
Методы исследования, достоверность и обоснованность результатов.
В работе использованы хорошо апробированные эмпирические и теоретические методы исследования в области вакуумной СВЧ электроники. Решения задач оптимизации базируются на экспериментальных данных и известных положениях теории ЛБВ и методах математического моделирования. Достоверность полученных результатов подтверждается корректностью применяемых математических моделей, их адекватностью по известным критериям оценки изучаемых процессов взаимодействия электронов с СВЧ полемхорошим совпадением полученных теоретических результатов с данными экспериментаа также с результатами промышленной эксплуатации созданных ЛБВ и СВЧ усилителей на их основе, и совпадением с результатами, полученными другими авторами в области разработки спутниковых ЛБВ, опубликованными как в России, так и за рубежом.
Научная новизна работы:
1. Впервые предложена и экспериментально апробирована методика существенного снижения уровня комбинационных составляющих третьего порядка (на 10−15 дБ) в ЛБВ, работающей в двухчастотном режиме усиления, за счет подачи дополнительного немодулированного сигнала с отстройкой по частоте на 5 — 15%.
2. Экспериментально установлено, что подача на вход ЛБВ, работающей в двухчастотном режиме усиления на частотах ^ и ї2, третьего дополнительного сигнала с произвольной начальной фазой и отстройкой «вверх-вниз» по частоте относительно основных сигналов в пределах 5 — 20% позволяет снизить коэффициент амплитудно-фазового преобразования основных сигналов более чем в 3 — 4 раза в режиме насыщения и в 2 — 3 раза в слабонелинейном режиме при незначительном снижении суммарного электронного КПД на частотах ^ и f2.
3. Разработана методика, обеспечивающая значительное (в 2−3 раза) увеличение КПД ЛБВ с рекуперацией электронов в 4-х ступенчатом коллекторе (при допустимом уровне нелинейных искажений) за счет программируемого автоматического изменения величин напряжений, подаваемых на секции этого коллектора от источника вторичного питания.
4. Предложены приближенные математические модели для оперативной оценки предельно достижимого значения электронного КПД спиральной ЛБВ с неоднородной ЗС. Эти модели получены методом планируемого эксперимента, основанного на данных натурных экспериментов, проведенных на реальных образцах приборов, и адекватно описывают поведение электронного КПД в режиме насыщения в зависимости от подводимой мощности, первеанса пучка и сопротивления связи ЗС.
Практическая значимость заключается в следующем:
1. Предложенные методики уменьшения уровня комбинационных составляющих и коэффициента амплитудно-фазового преобразования в двухчастотном режиме работы ЛЕВ путем подачи на её вход третьего независимого сигнала легко реализуются на практике, и их применение улучшает качество передаваемого сигнала по системам космической связи.
2. Показана необходимость создания новых конструкций вторичных источников питания с автоматическим регулированием величин потенциалов на секциях многоступенчатого коллектора в зависимости от режимов работы ЛБВ. За счет увеличения КПД ЛБВ в усилителе с таким источником питания, может быть значительно уменьшены габариты и масса всего устройства.
3. Результаты работы могут быть использованы в НИОКР, проводимых в СГТУ и на предприятиях радиоэлектронного профиля.
4. Результаты работы могут быть использованы в учебном процессе в Вузах, ведущих подготовку специалистов по специальности 210 105 (Электронные приборы и устройства).
Апробация работы. Работа выполнена на кафедре «Электронные приборы и устройства» Саратовского государственного технического университета и ФГУП «НПП «Алмаз» в период 2007 — 2011 г. Результаты работы докладывались и обсуждались на: Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий» (Саратов, СГТУ, 2009) — научно-технической конференции «Электроника и вакуумная техника: приборы и устройства. Технология. Материалы» (Саратов, СГУ, 2009) — 9-й Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (Саратов, СГТУ, 2010).
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планами НИР и ОКР ФГУП «НЛП «Алмаз» и СГТУ.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе 2 работы в рекомендованных ВАК изданиях.
Личный вклад автора заключается в участии в формулировке цели и постановке задач исследовании, проведении численных расчетов, необходимых для интерпретации полученных экспериментальных данных. Автор является исполнителем представленных экспериментальных исследований. Обсуждение полученных теоретических и экспериментальных результатов проводилось совместно с соавторами научных статей.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложения. Ее объем 121 стр., включая 27 рисунков, 7 таблиц, 48 наименований цитируемых источников.
Выводы.
1. Полученное методом планируемого эксперимента адекватное уравнение регрессии может найти применение для оперативной оценки предельно достижимого значения электронного КПД от первеанса пучка, подводимой мощности и сопротивления связи.
2. Предложенная методика нахождения аналитических зависимостей с помощью применения метода планируемого эксперимента может быть использована для построения уравнений регрессии, достаточно описывающих не только электронный КПД, но другие выходные параметры и характеристики ЛБВ.
3. Полученное приближенное выражение может быть использовано на начальном этапе проектирования новых ЛБВ на базе лампы исследуемой конструкции при выборе оптимального значения микропервеанса, соответствующего максимальной эффективности взаимодействия.
Заключение
.
В диссертационной работе в результате выполненных численных расчетов и экспериментальных исследований решена актуальная научнотехническая задача по улучшению выходных параметров спиральных спутниковых ЛБВ в однои многочастотном режимах:
1. Проведены измерения и сравнительный анализ спектрограмм выходных сигналов спиральной ЛБВ с неоднородной ЗС и высоким электронным КПД при двухчастотном усилении.
2. В спиральной ЛБВ с неоднородной ЗС и высоким электронным КПД в двухчастотном режиме изменение входной мощности только одного сигнала при постоянстве входной мощности второго сигнала приводит к принципиальному изменению характера амплитудно-фазовых преобразований по сравнению с одночастотным режимом и двухчастотным режимом в случае изменения суммарной входной мощности равных сигналов.
3. Изменение фаз выходных сигналов при изменении мощности на входе ЛБВ только на одной частоте в двухчастотном режиме не описывается простой линейной зависимостью от? г|э или г) Эь Лэг, а наблюдается нелинейная и обратная зависимость фаз выходных сигналов от г|зі и Лэг в слабонелинейном режиме и в нелинейном режиме до точки насыщения. За точкой насыщения приращение фазы выходного сигнала на частоте с переменной входной мощностью меняет знак.
4. Предложена методика существенного уменьшения уровня комбинационных составляющих третьего порядка (на 10−15 дБ) в спиральной ЛБВ в двухчастотном режиме путем подачи на её вход третьего дополнительного немодулированного сигнала с амплитудой, отстроенного по частоте на 5 — 15% с произвольной начальной фазой.
5. Предложена методика уменьшения коэффициента амплитуднофазового преобразования в двухчастотном режиме в 2 — 4 раза при незначительном снижении полного КПД путем подачи на вход ЛБВ дополнительного немодулированного сигнала, с амплитудой, соответствующей насыщению по суммарной выходной мощности, отстроенного по частоте на 5 — 20%.
6. Изменение входной мощности на частоте третьего сигнала от нуля до значения, при котором уровни выходной мощности всех трёх сигналов становились равными, приводит к подавлению комбинационных составляющих третьего порядка до уровня минус 24,5 ± 1 дБ. При этом выходная мощность на частотах f2 уменьшается в 1,7 раза по сравнению с мощностью в режиме насыщения двух сигналов равного уровня, а суммарная мощность всех сигналов увеличивается в 1,16 раз.
7. Предложен способ увеличения КПД ЛБВ в слабонелинейном режиме в 2−3 раза за счёт оптимизации режима рекуперации энергии электронов в коллекторе. В составе СВЧ усилителя это может достигаться за счёт отслеживания режимов работы ЛБВ по уровню выходной мощности или уровню энергий в электронном потоке и управления выходными параметрами вторичного источника питания в соответствии с этими режимами.
8. Показано, что оптимально выбранные параметры неоднородного по шагу ЗС пространства взаимодействия спиральной спутниковой ЛБВ обеспечивают увеличение КПД ЛБВ до 72%) в режиме максимальной выходной мощности и до 18 — 36% в линейном режиме.
9. Приведены экспериментальные результаты, подтверждающие эффективность предложенных способов увеличения КПД ЛБВ за счет адаптации напряжений питания ступеней коллектора в разных режимах работы прибора.
10.Получено адекватное уравнение регрессии, характеризующее зависимость электронного КПД спутниковой ЛБВ от параметров ЗС и электронного пучка, а также уравнение регрессии, позволяющее выбрать микропервеанс пучка, исходя из условия достижения максимального электронного КПД в режиме насыщения.
11. Полученное методом планируемого эксперимента адекватное уравнение регрессии может найти применение для оперативной оценки предельно достижимого значения электронного КПД от первеанса пучка, подводимой мощности и сопротивления связи.
12. Полученное приближенное выражение может быть использовано на начальном этапе проектирования новых ЛБВ на базе лампы исследуемой конструкции при выборе оптимального значения микропервеанса, соответствующего максимальной эффективности взаимодействия.
