Численное моделирование и конструкция замедляющей системы спиральной ЛБВ Ku-диапазона (стр. 2 )

Нижний предел скорости электронов определяется фазовой скоростью замедленной волны. Поэтому величина КПД должна быть тем больше, чем значительнее превышение начальной скорости электронов над фазовой скоростью волны в замедляющей системе. Однако при увеличении рассинхронизма ухудшается группирование на входном участке замедляющей системы и резко уменьшается коэффициент усиления. Таким образом, требования максимального КПД и высокого коэффициента усиления в ЛБВ оказываются противоречивыми.

В зависимости от назначения ЛБВ выпускаются на выходные мощности от долей мВт (входные маломощные и малошумящие ЛБВ в усилителях СВЧ) до десятков кВт (выходные мощные ЛБВ в передающих устройствах СВЧ) в непрерывном режиме и до нескольких МВт в импульсном режиме работы.

1.4. Конструкция и основные узлы ЛБВ

Электровакуумный прибор, работа которого основана на взаимодействии электронного потока и бегущей волны, впервые предложил и запатентовал американский инженер А. Гаев (A. Hoeff) в 1936. Первую ЛБВ создал американский учёный Р. Компфнер (R. Kompfher) в 1943. Первые теоретические работы по ЛБВ опубликовал американский физик Дж. Пирс (J. Pierce) в 1947.

Основными частями ЛБВ являются: электронная пушка для создания и формирования электронного потока; замедляющая система, снижающая скорость распространения электромагнитной волны вдоль оси ЛБВ до скорости, близкой к скорости электронов, для синхронного движения волны с электронным потоком (обычно используется металлическая спираль, жестко закрепленная продольными диэлектрическими опорами и отличающаяся слабой зависимостью скорости бегущей вдоль неё волны от частоты, благодаря чему достигается эффективное взаимодействие волны с электронным потоком в широкой полосе частот); фокусирующая система (периодическая система постоянных магнитов, соленоид или др.) для удержания магнитным полем электронного потока в заданных границах поперечного сечения по всей его длине; коллектор для улавливания электронов; ввод и вывод энергии электромагнитных колебаний; поглотитель энергии колебаний СВЧ на небольшом участке замедляющей системы для устранения самовозбуждения ЛБВ из-за отражений волн от концов замедляющей системы.

Для подробного изучения конструкций ЛБВ рассмотрим основные узлы реально существующей спиральной ЛБВ, работающей в рассматриваемом диапазоне частот. Ее общий вид представлен на рисунке 1.4.

Рис 1.4. Общий вид ЛБВ.

1 – электронная пушка; 2 – выходной коаксиально-волноводный переход; 3 – коллектор; 4 – магниты МПФС; 5 – входной коаксиальный разъем; 6 – основание; 7 – радиатор; 8 – кожух

Рассматриваемая ЛБВ имеет металлокерамическую пакетированную конструкцию, основными узлами которой являются электронная пушка. Спиральная замедляющая система с входным и выходным выводами энергии и коллектор. Магнитная периодическая фокусирующая система (МПФС), предназначенная для обеспечения пропускания электронного потока во внутреннем канале ЗС, устанавливается непосредственно на корпус ЛБВ и фиксируется при изготовлении прибора.

Конструкция корпуса ЛБВ замедляющей системы представляет собой набор полюсных наконечников и промежуточных втулок спаянных между собой медным припоем.

Основной особенностью конструкции корпуса является отсутствие внутренней трубки, характерной для обычно применяемых конструкций такого типа. Отсутствие трубки позволяет приблизить внутреннюю поверхность полюсных наконечников к оси магнитного канала и, соответственно, создавать периодические фокусирующие поля со значительно большей амплитудной составляющей магнитной индукции по сравнению с конструкциями корпуса, в которых используется тонкостеночная внутренняя трубка. Это играет важную роль при создании мощных приборов. Так же можно обеспечить более точное расположение внутренних поверхностей полюсных наконечников магнитнопериодической фокусирующей системы, что создает условия для однородности магнитного поля в радиальном направлении и, соответствен, сказывается на фокусировке интенсивного электронного потока.

Отсутствие внутренней трубки накладывает более жесткие требования по газопроницаемости, к качеству паянных швов, соединяющих детали корпуса (около 100 деталей).

Существует несколько требований предъявляемых к корпусу лампы бегущей волны:

- обеспечение хорошего теплоотвода от элементов системы;

- обеспечение вакуумной плотности паяных швов для достижения высокой надежности, долговечности и сохранности прибора, т. к. корпус ЛБВ является частью вакуумной оболочки прибора;

- обеспечение хорошей соосности полюсных наконечников МПФС с внутренним каналом корпуса, предназначенным для размещения ЗС, что необходимо для получения токопрохождения в приборе не менее 98%;

- корпус ЛБВ должен предусматривать возможность обеспечения эффективного теплоотвода от полюсных наконечников;

- иметь достаточную жесткость для обеспечения прочности прибора к воздействию внешних механических факторов.

Трехэлектродная электронно-оптическая система (рис. 1.5.), в которой фокусирующий электрод находится под одним потенциалом с катодом и конструктивно соединен с ним внутри прибора, формирует электронный пучок с определенным сечением и интенсивностью.

Рис 1.5. Общий вид конструкции электронной пушки

(1 - эмиттер, 2 - электрод управляющий, 3 - электрод подфокусирующий внешний, 4 - электрод подфокусирующий внутренний, 5 - электрод фокусирующий, 6 - анод)

Требования предъявляемые к устройствам данного типа:

- высокая точность изготовления, в частности обеспечение заданных размеров между отдельными электродами, а так же хорошей соосности (в пределах 0,05 мм) электронной пушки с осью ЗС при сборке ЛБВ, что очень важно для обеспечения высокого токопрохождения в приборе;

- высокая межэлектродная электрическая прочность, необходимая для обеспечения надежной работы прибора в течение срока службы.

Ускоряющее напряжение между катодом и замедляющей системой Uo обеспечивает требуемый синхронизм между электронами и замедленной волной. Движение электромагнитной волны вдоль замедляющей системы происходит в направлении движения электронов. Фокусировка электронного потока ЛБВ осуществляется с помощью постоянного магнитного поля, создаваемого магнитной периодической фокусирующей системой (МПФС) и направленного вдоль оси лампы.

Магнитное поле периодической фокусирующей системы обеспечивает оптимальное прохождение электронного пучка внутри замедляющей системы ЛБВ.

Спиральная замедляющая система, изображенная на рис 1.6., состоящая из собственно спирали и трех металло-керамических опор, крепится во внутреннем канале корпуса между диэлектрическими стержнями. Часть электронов, влетающих в спиральную замедляющую систему, движется под некоторым углом к оси внутреннего канала. Под действием магнитных полей фокусирующей системы происходит оседание электронов на поверхность замедляющей системы и, как следствие этого, нагрев спирали, что может привести к прогоранию спирали и выводу ЛБВ из строя. Поэтому опоры ЗС должны обладать не только диэлектрическими свойствами, но и высокой теплопроводностью. Последнее требование важно для ламп средней и большой выходной мощности.

Рис. 1.7. Комбинированная металлокерамическая опора.

Комбинированные металлокерамические опоры состоят из двух частей-металлической и керамической. Керамическая часть обеспечивает контакт между спиралью и опорой замедляющей системы. Металлическая обеспечивает контакт между керамическим стержнем и корпусом.

Применение комбинированных металлокерамических опор в замедляющих системах мощных ЛБВ обусловлено:

- созданием условий для расширения рабочего диапазона прибора;

- снижением диэлектрической нагрузки на спираль и, следовательно, снижается погонное затухание в ЗС;

- значительное улучшение теплового контакта между керамическим стержнем и корпусом, в случае использования в качестве металлической части опоры медь;

- сокращением количества деталей, которые необходимо разместить во внутреннем канале корпуса при создании сверхширокополосных ЗС, что особенно важно при продвижении в коротковолновый диапазон из-за уменьшения поперечных размеров;

- наличие металлической основы обеспечивает тепловую и механическую связь всех элементов в случае появление поперечных трещин в керамических опорах, нередко возникающих при закреплении ЗС в корпусе.

На входе и выходе замедляющей системы есть специальные устройства, обеспечивающие вход и выход СВЧ-энергии в вакуумную полость прибора, для согласования ее с линиями передачи, являющимися частью и радиоэлектронной аппаратуры.

Последние могут быть либо волноводными, либо коаксиальными. На вход поступает СВЧ сигнал, который усиливается в приборе и с выхода передается в нагрузку. В рассматриваемом приборе используются коаксиальные выводы энергии различной конструкции. Отличие в конструкции связано с различными уровнями СВЧ мощности (более чем в 1000 раз), проходящей через них. Особых требований для устройства ввода энергии в замедляющую системе не требуется, т. к. на вход подается сигнал не высокой мощности и измеряется, как правило, в милливаттах (мВт). Поскольку выходная мощность рассматриваемого прибора составляет в непрерывном режиме несколько сотен ватт, его конструкции, представленной на рисунке, уделено особое внимание в части обеспечения теплопередачи от центрального проводника коаксиала.

Для этой цели используются специальные вкладыши из бериллиевой керамики, обладающие хорошей теплопроводностью, которые припаяны к центральному и внешнему проводнику коаксиала во внутривакуумной полости прибора. С наружней части выходного вывода энергии устанавливается коаксиально-волноводный переход H-сечения, обеспечивающий передачу СВЧ-энергии более чем октавной полосе частот..

Достичь идеального согласования замедляющей системы с входной и выходной лилии во всем рабочем диапазоне и тем более за его пределами практически не возможно. Поэтому усиленная волна частично отражается на выходе от имеющейся неоднородности, и, не взаимодействия с электронным потоком, двигается в обратном направлении, создавая внутреннюю обратную связь, при этом ЛВБ может перестать выполнять свои функции усилителя и перейти в режим генератора.

Самовозбуждение имеет место если удовлетворены следующие условия:

1. амплитуда “вторичной” (дважды отращенной) волны на входе лампы не меньше амплитуды “первичной ” бегущей волны;

2. фаза “вторичной” волны после двукратного отражения и двукратного пробега по замедляющей системе отличается от фазы “первичной ” волны на 2πn, где n – любое целое число.

Обратная связь и, как следствие, переход из режима усиления в режим генерации крайне не желательны для любого усилителя. Поэтому для устранения самовозбуждения вводится локальный поглотитель, который может быть выполнен в виде стержня из поглощающей керамики или в виде поглощающих пленок.

В мощных связных ЛБВ для обеспечения достаточно высокого значения эксплуатационного КПД (порядка 35%) используется двухсекционный коллектор, конструкция которого приведена на рис.4.7.

Коллектор, имеющий две токоприемные секции 1 и 2, изолирован-ные друг внутри вакуумной полости от друга и от корпуса коллектора 4 за счет использования двенадцати керамических стержней 3 из оксида бериллия и закрепленные посредством термообжима при нагреве конструкции до температуры 500С, позволяет рассеять мощность более 1300 Вт. Для улучшения теплового контакта и, соответственно, теплопередачи наружная поверхность токоприемников имеет двенадцать граней, а прилегающая к ним поверхность стержней имеет продольную лыску шириной 2,5 мм.

Электронно-оптическая система коллектора представляет собой асимметричную электростатическую линзу между токоприемниками, под действием которой электронный пучок отклоняется от оси в области второй секции, в результате чего поток вторичных и отраженных электронов с этой секции обратно на первую секцию коллектора и в область замедляющей системы, что положительно влияет на работу прибора.

Конструкция данного коллектора предусматривает наличие кольцевого магнита (рис.1.9) на корпусе в области первой секции, создающего магнитное поле на оси с величиной индукции, составляющей около 25% от амплитуды индукции поля, создаваемого МПФС, которое помогает пропустить электронный поток внутри первой секции с минимальным оседанием электронов на нее. Ток первой секции коллектора составляет 3-4% тока электронного потока в статическом режиме (при отсутствии входного сигнала) и не превышает 15% в режиме насыщения.

В результате использования двухсекционного коллектора рассматриваемой конструкции удается за счет применения двухступенчатой

рекуперации вдвое снизить мощность электронного потока в области коллектора по сравнению с мощностью потока в области пространства взаимодействия.

Глава II. Конструкция и технология

замедляющей системы мощной ЛБВ

2.1. Общие вопросы.

При конструировании замедляющей системы обычно приходиться решать две основные задачи:

1. Выбор конструкции замедляющей системы ( диаметр и шаг спирали, длины секций, размеры диэлектрических опор, форма провода и т. д.) с целью обеспечения ее электродинамических параметров ( замедления п и сопротивления связи Rcb ), от которых зависит эффективность взаимодействия электромагнитной волны с электронным потоком в требуемом диапазоне частот.

Эта задача при разработке ЛБВ обычно решается посредством проведения расчетов, в том числе с использованием компьютерных программ, а также экспериментальными измерениями для корректировки математических моделей.

2. Обеспечение эффективного отвода тепла от спирали, выделяющегося в ней за счет ВЧ потерь и токооседания, возникающих в процессе взаимодействия. При этом, при конструировании прибора стараются создать условия, когда ВЧ-потери и ток оседания на спираль минимальны. Тепло, выделяемое в спирали, может отводиться на корпус ЗС только за счет теплопроводности. Поэтому при выборе конструкции, в зависимости от возможной тепловой нагрузки, используют опорные керамические стержни с хорошей теплопроводностью (оксид берилия, нитрид бора), уделяют большое внимание качеству тепловых контактов между спиралью и опорой, с одной стороны, и опрой и внутренней поверхностью корпуса-с другой.

Основным фактором, определяющим полосу частот усиливаемых сигналов ЛБВ, является дисперсия замедляющей системы. Под дисперсией понимают зависимость фазовой скорости волны от частоты. Различают четыре вида дисперсии:

1)  Нормальная дисперсия, при которой фазовая скорость в рассматриваемом диапазоне частот уменьшается с ростом частоты колебаний.

2)  Аномальная дисперсия, характеризуемая увеличением величины фазовой скорости при повышении частоты.

3)  Положительная (прямая) дисперсия, при которой направления фазовой и групповой скоростей совпадают.

4)  Отрицательная (обратная) дисперсия, в случае которой фазовая скорость волны направлена в сторону, противоположную групповой скорости.

На рисунке 2.1 показаны случаи нормальной положительной дисперсии(1), аномальной положительной (2) и аномальной отрицательной (3).

Рис. 2.1

В ЛБВ дисперсия является всегда положительной.

Для эффективного взаимодействия электронного потока с волной необходимо, чтобы при заданном потоке энергии P через систему была велика составляющая электрического поля, тормозящего электроны. Эффективность взаимодействия электронов с полем чаще всего характеризуют величиной (сопротивление связи):

Где

P - средний по времени поток энергии, переносимый через любое поперечное сечение системы.

- средний по сечению электронного потока и его длине квадрат амплитуды составляющей электрического поля, взаимодействующий с электронным потоком. βm – Фазовая постоянная волны в замедляющей системе при отсутствии электронного потока. Усреднение по длине потока обычно ведут в предположении, что система бесконечна. Оно сводится к вычислению так называемых амплитуд пространственных гармоник. Символ «m» указывает номер пространственной гармоники.

Величина Rсв имеет размерность сопротивления [Ом]. Вместе с Rсв растет коэффициент усиления ЛБВ, растет КПД приборов.

В большинстве работ, однако, используется понятие сопротивления связи. Типичная величина Rсв для спирали, при реально используемых значениях замедления в зависимости от диапазона частот составляет от сотен до нескольких десятков и даже единиц Ом.

Подобно характеристическому (волновому) сопротивлению обычных длинных линий, величина Rсв зависит только от конфигурации проводников рассматриваемой линии и, если отсутствует нелинейный диэлектрик, не зависит от величины передаваемой мощности.

Физический смысл сопротивления связи Rсв можно сравнить также со смыслом активной проводимости полых резонаторов G. Обе рассматриваемые величины позволяют найти напряжение или напряженность электрического поля, если известна высокочастотная мощность, поступающая в систему. Сходство можно усмотреть и в неоднозначности величин Rсв и G, зависящих от выбранного пути отсчета. В самом деле, поле вблизи замедляющей системы не является неизменным, а убывает по экспоненциальному или по близкому к экспоненциальному закону по мере удаления от поверхности системы.

Большей частью, если не делается иных оговорок, при вычислении сопротивления связи рассматривается электрическое поле, существующее на поверхности системы или на оси ее симметрии, где пропускается электронный поток. Чем больше расстояние от поверхности замедляющей системы, тем слабее напряженность поля при одной и той же мощности бегущей волны и тем меньше соответствующее сопротивление связи.

Строгий аналитический расчет сопротивления связи для конкретных замедляющих систем является нелегкой задачей и возможен лишь в простейших случаях. Тем не менее, введение понятия сопротивления связи даже в общем виде имеет большое значение для построения теории электронных приборов СВЧ. Чем больше величина Rсв, тем выше оказывается коэффициент усиления ламп бегущей волны. Важную роль в определении сопротивления связи играет эксперимент.

2.2. ВЫБОР КОНСТРУКЦИИ СПИРАЛЬНОЙ ЗАМЕДЛЯЮЩЕЙ СИСТЕМЫ.

Применение в ЛБВ спиральной замедляющей системы классической конструкции (рис.2.2.), то есть представляющей собой спираль, закрепленную в металлическом экране с помощью диэлектрических опор круглого или прямоугольного сечения, которая обладает нормальной дисперсией, позволяет обеспечить полосу усиливаемых частот ЛБВ не более октавы [1].

Рис.2.2. Классическая конструкция ВЧ-блока.

1-Спираль; 2-Диэлектрические опоры; 3-Металлический экран.

Создание ЛБВ с более широкой полосой усиливаемых частот достигается применением замедляющей системы со слабо аномальной или нулевой дисперсией. Однако получение ее сопровождается падением сопротивления связи по сравнению с системами с нормальной дисперсией, чем обуславливается более низкий КПД, но этот шаг позволяет расширить полосу усиливаемых частот до двух октав. Анализ работы замедляющей системы показывает, что ограничение полосы частот усиливаемых сигналов в ЛБВ определяется двумя факторами:

1)  Отсутствием синхронизма, обусловленного изменением электродинамических характеристик замедляющей системы (коэффициента замедления и сопротивления связи) в частотном диапазоне.

2)  Уменьшением коэффициента усиления вследствие уменьшения электрической длины прибора.

Длинноволновая граница в случае нулевой и аномальной дисперсии определяется, главным образом, вторым фактором, а при нормальной дисперсии – первым. Коротковолновая граница всегда определяется только первым фактором.

Первым способом получения замедляющей системы с нулевой или аномальной дисперсией для расширения полосы ЛБВ является приближение экрана к спирали (рис.2.3.).

Рис.2.3. Приближение экрана к спирали.

Сопротивление связи в такой замедляющей системе становится очень низким и, следовательно, получить большие значения КПД в таком приборе невозможно.

Другим способом является введение в замедляющую систему азимутальной анизотропной проводимости (Этот способ был предложен ). Одной из первых была теоретически рассмотрена замедляющая система с введенными между спиралью и экраном проводящими стержнями, расположенными по окружности параллельно оси системы (рис.2.4.). Изменяя положение ребер и зазор между ними и спиралью, можно изменить наклон дисперсионной характеристики и перейти из нормальной дисперсии в аномальную. Сопротивление связи такой системы оценивается приближенно.

Рис.2.4. Конструкция замедляющей системы, позволяющая получить аномальную дисперсию.

1-Спираль; 2-Продольные ребра; 3-Металлический экран.

Анализ влияния ширины продольных стержней и их расстояния от спирали на дисперсию показал, что влияние на замедление при одинаковой дисперсии тем слабее, чем меньше ширина стержней и больше расстояние от них до спирали.

В конструкции замедляющей системы, изображенной на рис.2.5, рис.2.6, рис.2.7, используя металлический экран с продольными ребрами различной конфигурации, варьируя число ребер, ширину и расстояние от них до спирали, можно получить нулевую, смешанную или аномальную дисперсии.

Рис.2.5. Изменение ширины продольных стержней.

Рис.2.6. Изменение числа ребер.

Рис.2.7. Изменение высоты ребер.

В разное время было предложено большое количество конструкций спиральных замедляющих систем с азимутально-анизотропной проводимостью экрана, но в силу своей нетехнологичности, малоэффективности и неустойчивости конструкции не используются в практике. Были отобраны те, которые отвечают вышеперечисленным требованиям. Рассмотрим две такие конструкции, изображенные на рис.2.8(N1) и рис.2.9(N2): Спираль 1 закреплена в металлическом корпусе 4 с использованием трех диэлектрических штабиков (опор) 2. Азимутально-анизотропная проводимость обеспечивается металлическими ребрами различной конфигурации 3.

Теоретический анализ позволил определить основные закономерности влияния количества, размера ребер и их расстояния от спирали на дисперсию и сопротивление связи. Установлено, что характер дисперсии сильно зависит от высоты ребер. Сопротивление связи уменьшается с ростом высоты ребер, причем в большей мере в длинноволновой части диапазона.

Увеличение, как ширины, так и количества ребер приводит к росту замедления, но число ребер влияет более существенно. При этом сопротивление связи с шестью узкими ребрами оказывается намного больше, чем сопротивление связи в системе с тремя широкими ребрами.

По результатам можно сделать вывод, что при одном и том же изменении дисперсии уменьшение сопротивления связи будет меньше, если это изменение достигнуто за счет увеличения числа ребер при сохранении их формы, а не наоборот. Кроме того, показано, что применение экрана с продольными ребрами позволяет получить аномальную дисперсию при значениях сопротивления связи в 1,5¸2 раза больших, чем при приближении оболочки к спирали в конструкции замедляющей системы с изотропным экраном. Исследования показали одинаковую эффективность спиральной замедляющей системы (рис.2.8.) и (рис.2.9.), причем N1 рекомендован как более технологичный, а N2 как более эффективный. Проведенное сравнение замедляющей системы с металлокерамическими стержнями

Рис. 2.8. Вариант N1 конструкции замедляющей системы.

1 – спираль; 2 – диэлектрический штабик;

3 – металлическое ребро; 4 – металлический экран.

(рис.2.8.) и замедляющей системы с шестью продольными ребрами (рис.2.4.) показало, что при одной и той же аномальной дисперсии в двухоктавной полосе частот сопротивление связи в приборе с металлокерамическими стержнями выше. Это объясняется тем, что использование металлокерамических стержней в ВЧ пакете позволяет значительно уменьшить объем диэлектрика и, соответственно, снизить диэлектрические потери. Но в то же время сопротивление связи такой замедляющей системы ниже, чем в замедляющей системе с изотропным экраном с нормальной дисперсией (рис.2.2.).

Далее сравнили N1 и N2 (при одинаковой дисперсии, в одном диапазоне частот), сопротивление связи N2 больше, чем N1. Это обьясняется тем, что во второй конструкции 10 ребер против 6 в первой и ребра во второй конструкции тоньше, чем в первой. Диэлектрические потери больше во второй конструкции, так как объем диэлектрика круглых опор больше объема штабиков, влияние этих потерь сказывается на к. п.д.

Рис. 2.9. Вариант N2 конструкции замедляющей системы.

1 – спираль; 2 – диэлектрическая опора ;

3 – металлическое ребро; 4 – металлический экран.

Анализ конструкций ЗС показал, что обе замедляющие системы с металлокерамическими опорами (штабиками) эффективно взаимодействуют с пучком электронов, при этом не теряя свое свойство сверхширокополосности. Однако конструкция замедляющей системы N1 была выбрана для проектирования ЛБВ с заданными параметрами. Это связано с тем, что в ЗС N1 диэлектрические опоры имеют большую площадь соприкосновения со спиралью, что обеспечивает лучший теплоотвод от нее. Поэтому ЗС конструкции N1 используют в ЛБВ с большей мощностью, чем ЗС конструкции N2. Также конструкция N1 является наиболее технологичной.

2.3. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К КОНСРУКЦИИ СПИРАЛЬНОЙ ЗАМЕДЛЯЮЩЕЙ СИСТЕМЫ.

Выбрав конструкцию замедляющей системы, следует определить материалы, из которых она будет изготавливаться. Выбор материалов определяется требованиями к теплорассеивающей способности системы, которая и будет определять максимальную выходную мощность прибора. Также надо учитывать электрические параметры материалов и технологичность изготовления из них элементов замедляющей системы. Для получения необходимого вакуума в готовом приборе (~ 10-7 мм. рт. ст.) все материалы должны иметь малое собственное газовыделение.

Поскольку теплорассеивающая способность определяется отводом тепла от спирали по опорам, то выбор металлокерамических опор выгоден и с этой точки зрения, так как в собранном блоке имеется хороший паяный контакт между диэлектриком и металлическим держателем и хорошие контакты спираль - держатель и корпус – держатель.

В качестве материала держателя применена медь, имеющая высокую электро - и теплопроводность. Одновременно с этим, благодаря высокой пластичности меди, для изготовления необходимой конфигурации держателя можно применить метод объемной штамповки, обеспечивающий высокую точность и повторяемость геометрических размеров держателя, что важно с точки зрения повторяемости характеристик замедляющей системы в различных экземплярах ламп.

В качестве материала керамической части опоры применена керамика из окиси бериллия (ВеО), обладающая уникальной теплопроводностью при достаточно хороших электрических характеристиках (e=6,8; tgd=0,0005).

При выборе материала спирали необходимо найти компромисс между тем, что для навивки спирали требуется пластичный материал, но при этом навитая спираль должна быть достаточно жесткой и формоустойчивой. Также материал спирали должен обладать минимальными электрическими потерями. Материал спирали должен быть рассчитан на высокие рабочие температуры. Наиболее для изготовления спирали подходят упрочненная медь, вольфрам и молибден. Медная спираль требует сложных технологических процессов для ее закрепления. Вольфрам можно навивать только в нагретом состоянии, так как в холодном состоянии он легко расслаивается и ломается. Этих недостатков в определенной мере лишен молибден. Он допускает достаточно высокие рабочие температуры и более пластичен, чем вольфрам. Применение электрохимической полировки позволяет уменьшить высокочастотные потери за счет уменьшения общей протяженности скин-слоя. Поэтому материалом для изготовления спирали был выбран молибден.

Как уже говорилось выше, для борьбы с самовозбуждением в замедляющую систему вводится поглотитель. Обычно в качестве поглотителя используют углеродную пленку, нанесенную на поверхность диэлектрических опор. При этом поглотитель электрически соединяет спираль с корпусом, что необходимо для соединения спирали с источником напряжения замедляющей системы.

Усиливаемая электромагнитная волна, проходя через замедляющую систему, может отражаться от неоднородностей системы (выводов энергии, разрывов замедляющей системы и т. д.), и если не принять специальных мер, то это может привести к самовозбуждению прибора. Самовозбуждение ЛБВ, а также отдельных секций замедляющей системы может происходить как на прямой, так и на обратной гармонике. Поэтому длина секции должна быть достаточно мала (для устранения возбуждения как на прямой, так и на обратной гармониках), а для устранения возбуждения на отраженной от выхода ЛБВ волне КСВ поглотителя должен быть минимальным, для чего поглотитель необходимо сделать максимально согласованным с системой. Для этого на концах поглотителя добиваются плавного изменения поглощения от минимума к максимуму.

Параметры поглотителя имеют сильное влияние на работу ЛБВ, поэтому одновременно с расчетом параметров замедляющей системы ведется расчет и параметров поглощающего участка (его длины, положения вдоль участка взаимодействия и величины затухания).

Таким образом, представленная конструкция замедляющей системы, позволяет решить задачу обеспечения мощности на выходе ЛБВ 300 Вт в диапазоне частот 13 ГГц ± 10% при коэффициенте усиления не менее 25дБ и рабочем напряжении 7 ÷ 8 кВ, что успешно подтверждено разработками предприятия, на котором проводилось дипломное проектирование.

2.4. Методы закрепления замедляющей системы в корпусе прибора

В спиральных ЛБВ тепловые контакты между элементами, входящими в замедляющую систему, о важности которых говорилось выше, обычно обеспечиваются за счет сжатия ее конструкции в радиальном направлении при закреплении замедляющей системы в корпусе прибора.

Зажатие спиральной замедляющей системы осуществляется за счет упругой (триангуляция) или термической (горячая посадка, термообжим) деформации корпуса.

Выбор того или иного метода зажатия замедляющей системы связан с конструкцией вакуумной оболочки прибора.

Триангуляция – трехсторонняя деформация упругой тонкостенной металлической трубки.

К преимуществам метода закрепления ЗС в корпусе прибора за счет упругой деформации можно отнести малую трудоемкость сборки и простоту специального технологического оборудования, что достаточно удобно при организации производства. К недостаткам, ограничивающим применение этого метода при создании мощных широкополосных ЛБВ следует отнести относительно плохой теплоотвод от вакуумной оболочки к внешней системе охлаждения, недостаточная прочность конструкции из-за малой толщины стенок вакуумной оболочки, а также сложность сборки ЛБВ с магнитами МПФС и юстировки прибора.

Метод термофиксации (термообжим) - закрепление ВЧ блока осуществляется за счет деформации корпуса при нагреве.

Недостатком этого метода является неравномерное зажатие спиральной ЗС по ее длине. Это связано: во-первых, с тем, что используемое приспособление создает сдавливающее усилие в точках, расположенных с определенным периодом (между полюсными наконечниками). Во-вторых, термическая деформация корпуса уменьшается от центра приспособления к его периферии. В результате последние витки спирали, находящиеся у выходного устройства вывода энергии, которые обычно имеют максимальную температуру, могут быть зажаты с натягом всего 0,01-0,02 мм, что является недостаточным с точки зрения обеспечения удовлетворительного теплоотвода.

Для создания ЛБВ с выходной мощностью более 100 Вт на предприятии, на котором проводилось дипломное проектирование, для вставки и закрепления замедляющей системы с определенным натягом в корпусе прибора используется метод горячей посадки, т. к. он создает возможность получить достаточно низкие значения тепловых сопротивлений конструкции в радиальном направлении, что, в свою очередь, улучшает тепловой режим спирали.

При использовании метода горячей посадки замедляющая система ЛБВ, состоящая из керамических стержней и спирали, предварительно собранная на специальной оправке, вставляется в нагретый до высокой (обычно порядка 800°С - 900°С) температуры корпус прибора. Последний представляет собой конструкцию из полюсных наконечников и немагнитных промежуточных втулок, спаянных между собой высокотемпературным припоем (обычно - медью Тпл=1083оС). Поскольку корпус прибора при нагреве до высокой температуры расширяется, то в его внутренний канал можно вставить подготовленную в оправке замедляющую систему. Для обеспечения такой сборки необходимо, чтобы диаметр внутреннего канала нагретого корпуса на 0,01-0,015мм превышал диаметр окружности, описанной вокруг замедляющей системы, создавая сборочный зазор. После проведения вставки и снятия температуры корпус прибора, охлаждаясь, должен выбрать посадочные зазоры, перекрыть поле допусков и обеспечить гарантированный натяг замедляющей системы, создавая достаточно хорошие контакты между элементами конструкции.

Таким образом, для рассматриваемого нами случая при нагревании корпуса с диаметром внутреннего канала около 4,5мм до 900°С его величина увеличится на

ΔdBH=α*ΔT* dBH≈0,04 мм,

где α - коэффициент линейного расширения (для стали α ≈ 12*10-6 1/град) ∆T - изменение температуры корпуса (∆Т≈880°С), dBH - диаметр внутреннего канала корпуса (dBH≈6 мм).

В результате с учетом обеспечения сборочного зазора для вставки величиной 0,01-0,015 мм можно создать натяг в собранной конструкции высокочастотного блока по всей его длине после остывания корпуса величиной не более 0,045-0,05 мм.

Подбор элементов замедляющей системы и корпуса для осуществления сборки таким способом производится селективным методом. Сначала производится измерение элементов, входящих в замедляющую систему, т. е. наружного диаметра спирали и высоты опор, при этом, подбирая опоры таким образом, чтобы их высоты не отличились более чем на 0,01 мм друг от друга. Это важно для дальнейшего обеспечения соосности основных узлов ЛБВ: электронной пушки, замедляющей системы и МПФС.