Повышение надёжности и эффективности ламп бегущей волны, применяемых в выходных усилителях спутников связи

На правах рукописи

ПОВЫШЕНИЕ НАДЁЖНОСТИ И ЭФФЕКТИВНОСТИ

ЛАМП БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В

ВЫХОДНЫХ УСИЛИТЕЛЯХ СПУТНИКОВ СВЯЗИ

Специальность 05.27.02 – вакуумная и плазменная электроника

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Саратов 2013

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени » и «Алмаз»

Научный руководитель:	Доктор технических наук, профессор
Официальные оппоненты:	доктор физико-математических наук, ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный университет имени », профессор кафедры нелинейной физики кандидат технических наук, «Контакт», заместитель главного инженера по научной работе, лауреат государственной премии СССР
Ведущая организация:	Cаратовский филиал ФГБУН «Институт радиотехники и электроники им. РАН»

Защита состоится «05» декабря 2013 г. В 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.01 при Саратовском государственном техническом университете имени по адресу: 410054 7, Саратовский государственный технический университет имени , ауд. 401/2.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Саратовского государственного технического университета имени

Автореферат разослан « 1 » ноября 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Актуальность разрабатываемой проблемы.

В бортовой аппаратуре космических аппаратов различного назначения широко используются широкополосные лампы бегущей волны (ЛБВ) О - типа со спиральными замедляющими системами (ЗС). Надёжность, электрические и массогабаритные параметры этих ЛБВ в значительной мере определяют качество бортовых радиопередатчиков.

Первые ЛБВ для спутников связи были разработаны в США и СССР в начале 60-х годов 20-го века. С тех пор, постоянно растущие потребности в увеличении объёмов передаваемой через спутники информации, улучшении качества космической связи и снижении её себестоимости, в значительной степени, удовлетворяются за счёт улучшения параметров бортовых ЛБВ.

На рубеже 20-го и 21-го веков ретрансляторы российских спутников связи комплектовались ЛБВ О - типа отечественного производства, работающими в диапазоне 10 ÷ 3см. Они имели следующие основные параметры: долговечность около 50000 ч., промышленный КПД 40 – 50% в рабочей полосе 5-10%, коэффициент амплитудно-фазовых преобразований до 7 град/дБ и уровень гармоник в спектре выходного сигнала минус 10-15 дБ. Большой вклад в создание и промышленный выпуск ЛБВ, предназначенных для применения в системах спутниковой связи, внесли ведущие сотрудники предприятия ОАО "НПП "Алмаз" (г. Саратов) , , и другие.

Задачи дальнейшего повышения промышленного КПД до 60-70%, увеличения долговечности до тысяч часов, снижения нелинейных искажений выходных сигналов ЛБВ для бортовой аппаратуры спутников связи относятся к наиболее важным и актуальным и включены в тематический план «Алмаз» в соответствии с Федеральной целевой программой «Развитие электронной компонентной базы и радиоэлектроники» на 2008 – 2015 годы.

Для решения этих задач необходимо провести исследования физических процессов, протекающих в ЛБВ О-типа при достижении предельно возможных значений параметров эффективности, надёжности и линейности характеристик. На основе этих исследований уточнить взаимосвязи основных параметров ЛБВ с конструктивными параметрами её узлов и параметрами рабочих режимов и определить методы реализации их оптимального сочетания.

Актуальными являются также и практические задачи исследования, проектирования и оптимизации конструкций и технологии основных узлов и систем ЛБВ для орбитальных комплексов спутниковой связи.

Решение этих задач позволит разработать и поставить на серийное производство высокоэффективные конструкции ЛБВ, отвечающие всем современным требованиям, предъявляемым к бортовой аппаратуре, используемой в системах спутниковой связи.

Цель работы: Исследование физических явлений, происходящих в ЛБВ О-типа и определяющих их надёжность и эффективность. Исследование, разработка и усовершенствование конструкций и технологии изготовления основных узлов ЛБВ для увеличения её долговечности до 150000 ч. и КПД до 60 %.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

1. Оценка предельно возможных и реально достижимых значений электронного ηЭ и промышленного ηПРОМ КПД ЛБВ О-типа со спиральными ЗС, исследование и разработка конструкций спиральных ЗС, обеспечивающих снижение потерь мощности электромагнитных волн, повышение надёжности и эффективности ЛБВ.

2. Исследование влияния разброса энергий электронов в пространстве взаимодействия (ПВ) на токопрохождение в пролётном канале и эффективность рекуперации энергии электронного потока (ЭП) в коллекторе, выбор критериев оценки и направлений улучшения выходных параметров ПВ ЛБВ, применяемых в усилителях спутников связи.

3. Определение оптимальных функций изменения параметров ЗС и ПВ на всей их длине, обеспечивающих высокие значения электронного и контурного КПД и КПД многоступенчатой рекуперации.

4. Поиск конструкторских и технологических решений задач повышения надежности и КПД при низком уровне нелинейных искажений усиливаемых сигналов.

5. Разработка и исследование ЛБВ с КПД более 60%, долговечностью 100-150 тыс. ч., коэффициентом амплитудно-фазовых преобразований не более 5 град/дБ и уровнем гармоник в спектре выходного сигнала не более минус 25 дБ.

6. Обобщение результатов проведенных исследований. Выработка рекомендаций по созданию высокоэффективных и надежных ЛБВ для систем спутниковой связи.

Научные положения и результаты, выносимые на защиту:

1.  Приближенные аналитические зависимости, найденные на основе совместного рассмотрения упрощенной модели ЗС с конечными размерами поперечного сечения спирального проводника и модели взаимодействия бегущей волны с центральным электроном сгустка, позволяют оперативно находить предельно возможные и реально достижимые значения электронного и промышленного КПД высокоэффективных ЛБВ О-типа при заданных длине волны, ускоряющем напряжении и параметрах конструкции ЗС.

2.  В предложенных новых конструкциях ЛБВ О-типа со спиральными ЗС (а. с. №1 а. с. №1 патент № 000), за счёт изменения материала диэлектрических стержней и формы проводника спирали при постоянной площади его поперечного сечения, уменьшаются потери мощности электромагнитных волн и улучшается теплоотвод от спирали, что приводит к увеличению КПД и повышению надёжности ЛБВ.

3.  В ЛБВ О - типа, с микропервеансом электронного потока не более 0,35 мкА/В3/2, сопротивлением связи спиральной ЗС не менее 50 Ом и уровнем нормированной величины распределённых потерь не более 0,05 можно реализовать изменения фазовых положений сгустков электронов в поле электромагнитной волны в пределах от 0,64π до 1,1π, обеспечивающие постепенное увеличение нормированной амплитуды первой гармоники конвекционного тока до значений 0,8-1,2 и соответствующее увеличение электронного КПД до 30-40 %, при этом создать на выходе из пространства взаимодействия две - три группы электронов с небольшим разбросом энергий в группах, за счёт этого обеспечить высокую эффективность рекуперации энергии электронов в многосекционных коллекторах и повышение промышленного КПД таких приборов до 60-70%.

4.  Полученные на основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований результаты численного и конструкторско-технологического проектирования узлов и систем ЛБВ О-типа обеспечивают увеличение долговечности этих приборов до 150 тыс. ч, КПД до 60-70%, а также снижение нелинейных искажений и уровня гармоник усиливаемых сигналов.

Методы исследования, достоверность и обоснованность результатов.

В работе использованы аттестованные производственные методы испытаний, обеспечивающие получение достоверных результатов. Численные методы расчетов основаны на хорошо опробованном программном обеспечения из библиотеки САПР ЛБВ предприятия «Алмаз».

Эмпирические и теоретические методы исследования базируются на строго доказанных и корректно используемых выводах: электронной оптики, электродинамики и СВЧ электроники, положения которых нашли применение в работе.

Достоверность полученных результатов подтверждается: комплексным использованием известных, проверенных практикой, методов расчета и аттестованных методов испытаний основных функциональных узлов ЛБВ, а также согласованием новых положений теории с практикой и экспериментальными данными автора и других авторов.

Научная новизна работы:

1.  Предложена аналитическая методика оценки предельно возможных и реально достижимых величин электронного и промышленного КПД ЛБВ О-типа, позволяющая приближенно определить для заданных диапазонов длин волн и значений КПД соответствующие им ускоряющие напряжения и параметры конструкции спиральной ЗС.

2.  Уточнены сочетания расчётных значений ηЭ, контурного КПД ηКОН, КПД многоступенчатой рекуперации ηР для исследуемой модели ЗС и пространства взаимодействия, которые обеспечивают увеличение КПД ЛБВ до 70%.

3. Для ЛБВ О-типа со спиральной ЗС определены основные закономерности изменения параметров пространства взаимодействия на всей его длине, обеспечивающие как высокие значения ηЭ и ηКОН, так и ηР.

4.  Показано, что при найденном законе изменения замедления электромагнитных волн по длине ЗС можно обеспечить постепенное нарастание амплитуды первой гармоники конвекционного тока до значений 0,8-1,2 и поддержание этих значений на большой длине выходного участка ПВ. При этом ηЭ возрастает до 30-40 %, а в отработанном ЭП, за счёт изменений фазового положения сгустков электронов в пределах от 0,64π до 1,1π, образуются две - три группы электронов с небольшим разбросом энергий в группах, что обеспечивает эффективную рекуперацию их энергии в многосекционных коллекторах и повышение промышленного КПД ЛБВ до 60-70%.

5.  Определены практические пути усовершенствования конструкции спиральной ЗС, позволяющие уменьшить в ней потери мощности электромагнитных волн и улучшить теплоотвод от спирали, что приводит к увеличению КПД и повышению надёжности ЛБВ.

Практическая значимость заключается в следующем:

1.  Применение на этапе проектирования ЛБВ полученных автором обобщенных эмпирических данных и рекомендаций по выбору оптимальных конструктивных параметров спиральных ЗС и параметров ПВ позволяет сократить сроки и стоимость новых разработок за счет сокращения затрат на расчеты, проектирование и испытания экспериментальных макетов новых приборов.

2.  Предложенная аналитическая методика оценки предельно возможных и реально достижимых величин электронного и промышленного КПД позволяет контролировать степень завершённости работы при численной оптимизации параметров ЛБВ О-типа со спиральными ЗС.

3.  Результаты конструкторско-технологической разработки и исследований образцов ЛБВ космического назначения с предложенной конструкцией ЗС, соответствующей всем отличительным признакам А. с. №1 А. с. № 000 и патента №2 могут быть практической основой для создания новых серийных приборов с ηПРОМ около 70%, большой долговечностью (до 150 т. ч.) и высоким качеством передачи сигналов в системах космической связи. Положительный эффект от применения этих результатов возрастает при уменьшении длин волн рабочих диапазонов ЛБВ.

4.  По результатам, выполненных автором диссертации теоретических и экспериментальных исследований, разработаны, серийно производятся в «Алмаз» и эксплуатируются в аппаратуре спутников связи широкополосные ЛБВ средней мощности сантиметрового диапазона длин волн с параметрами, соответствующими современному техническому уровню: выходной мощностью 50-150 Вт, коэффициентом усиления 45-50 дБ, промышленным КПД 55-65%, долговечностью 100-150 тыс. ч., низкими значениями нелинейных искажений и уровнем гармоник в спектре выходного сигнала не более минус 25 дБ.

5.  Результаты диссертационной работы внедрены на предприятиях: «Алмаз», МЭИ», космические системы» и могут быть использованы в учебном процессе Вузов страны, ведущих подготовку молодых специалистов по направлению «Электроника и наноэлектроника».

Апробация работы. Работа выполнена в Саратовском государственном техническом университете имени и «Алмаз» в период 2009 – 2013 г. Результаты работы докладывались и обсуждались на: международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (Саратов, СГТУ, 2006, 2008, 2010, 2012), международной научно-технической конференции «Радиотехника и связь» (Саратов, СГТУ, 2005), научно-практической конференции РАСУ «Новые технологии в радиоэлектронике и системах управления» (Саратов, », 2003), зимней школе-семинаре по СВЧ электронике и радиофизике (Саратов, СГУ, 2006), научно-технической конференции «Электронная и вакуумная техника: Приборы и устройства. Технология. Материалы». (Саратов, «Контакт», 2009), юбилейной научно-технической конференции, посвященной 70-летию » «СВЧ-ЭЛЕКТРОНИКА. 70 ЛЕТ РАЗВИТИЯ» (Фрязино, », 2013) и др.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 20 печатных работ, в том числе 6 работ в рекомендованных ВАК изданиях, получено 2 авторских свидетельства и 1 патент на изобретения.

Личный вклад автора заключается в выборе цели и постановке задач исследований, проведении теоретических и экспериментальных исследований. Им предложены и обоснованы представленные в диссертации конструкции спиральных ЗС, защищённые А. с. №1 А. с. № 000 и патентом №2 и, совместно с соавторами изобретений, проведены их исследования. Автор является главным конструктором ряда спиральных ЛБВ космического применения, при создании которых использованы основные результаты диссертационной работы. Представленные результаты исследований получены автором лично и совместно с соавторами научных статей.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложения. Ее объем 118 стр., включая 25 рисунков, 8 таблиц, 69 наименований цитируемых источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы и показана степень её разработанности, сформулирована её цель, определены задачи исследований, приведены положения и результаты, выносимые на защиту, показаны научная новизна и практическая значимость полученных результатов, представлена апробация работы.

В первой главе «Основные параметры, характеристики, конструкции и особенности технологии ЛБВ для спутниковой связи» проанализировано современное состояние в России и за рубежом теоретических и экспериментальных исследований в области разработки ЛБВ О-типа для выходных усилителей СВЧ мощности спутников связи. Приведены основные требования к электрическим параметрам, которые определяются спецификой работы связных радиолиний и особыми условиями эксплуатации ретрансляторов космических аппаратов с длительным сроком активного существования. Основные из этих требований: высокая надёжность – способность выдерживать большие механические перегрузки во время выведения космического аппарата на орбиту и безотказно работать в течение 100-150 тысяч часов в условиях воздействия факторов околоземного космического пространства при частичной их экранировке; высокий КПД; хорошая линейность усиления входных сигналов; широкая полоса рабочих частот (5-10% в рабочих диапазонах от 1,5 до 30 ГГц); выходная мощность 50-200 Вт (в соответствии с требованиями применения в различных радиолиниях); коэффициент усиления 45-50 дБ; минимально достижимые питающие напряжения, габариты и масса.

Отмечается, что создание ЛБВ с указанным выше комплексом выходных параметров затруднено из-за многообразия и сложности физических процессов, протекающих в их функциональных узлах. Рассмотрены основные методы и выбраны направления поиска путей повышения надёжности, эффективности и уменьшения нелинейных искажений выходных сигналов в спиральных ЛБВ с высоким КПД и в радиотехнических устройствах с этими ЛБВ. Проведен анализ особенностей конструкций основных узлов и технологии, обеспечивающих высокую надёжность спиральных ЛБВ. Выбраны и обоснованы направления исследования и намечены пути улучшения выходных параметров ЛБВ космического применения.

Во второй главе «численное моделирование и оптимизация выходных параметров и конструкции высокоэффективной ЛБВ с длительным сроком активного существования» проанализирована возможность получения оптимальной взаимосвязи ηЭ и ηПРОМ спиральной ЛБВ, а также возможность эффективной рекуперации энергии ЭП при высоком значении ηЭ. Для отыскания такого компромиссного решения необходимо иметь возможность оценки предельных уровней повышения ηЭ, при которых потери СВЧ энергии в ЗС ещё не приводят к заметному снижению ηПРОМ. На основе упрощенной математической модели спирали с конечными размерами поперечного сечения проводника и модели взаимодействия бегущей волны с центральным электроном сгустка получены приближенные соотношения, связывающие максимальные значения параметра рассинхронизма bK в конце ПВ и ηВЗ с конструктивными параметрами и параметрами режима спиральных ЛБВ с высокой эффективностью энергообмена в ПВ (при γea = (0,8 ¸ 1,0)). При γea > 1,0 проявляются другие механизмы ограничения bK, которые здесь не рассматриваются. В качестве допустимого приближения использовано известное выражение для коэффициента замедления (n) фазовой скорости волны (VФ) спирально проводящего цилиндра:

, (1)

где: а –радиус спирали, м, h – шаг спирали, м.

В реальной ЛБВ с максимальным КПД существует оптимальное отношение δ/hК = Кh, где δ – размер поперечного сечения проводника спирали в направлении, перпендикулярном её радиусу, м, hК – минимальный шаг спирали на конечном участке ЗС, м.

Воспользовавшись (1) для упрощенной модели спиральной ЗС с конечными размерами поперечного сечения проводника спирали и считая а – средним радиусом спирали, hК= δ/Кh, предполагая, что ЛБВ с высоким ηЭ имеют протяженный «опорный» участок ПВ, на котором параметр рассинхронизма b = bоп ≈ 0, можно оценить максимальное значение параметра рассинхронизма в конце ПВ – bk, при котором еще возможен полезный энергообмен в ПВ.

Учитывая, что а = 3,15×10-4×γea×l×ÖU0, где l - длина волны усиливаемого сигнала в свободном пространстве, м, а на большей длине ПВ в неоднородных ЛБВ с высоким КПД γa ≈ γea, где γ = ω/VФ, γe = ω/V0 - постоянные распространения, рад/м, ω – круговая частота электромагнитной волны, рад/с, VФ - фазовая скорость волны в ЗС, м/с, V0 – скорость электронов в невозмущённом ЭП, м/с: , (2)

где: hОП - шаг ЗС на "опорном" участке ПВ, м, U0 - электрическое напряжение на ЗС относительно катода, В, получим

 

(3)

где С – параметр усиления Пирса.

Представим отношение суммарной кинетической энергии электронов за период электромагнитной волны на выходе из ПВ (W) к энергии электронов на входе в ПВ (W0) в ЛБВ с уменьшающимися к выходу шагами ЗС в виде W/ W0 = К(hК/hОП)2. При анализе W, рассчитанной с использованием одномерной нелинейной модели ПВ для различных вариантов ПВ, оптимизированных по КПД, обнаружено, что на различной длине выходного участка ПВ К не сильно отличается от единицы (К » 1 ¸ 1.1). Учитывая, что:

, (4)

и считая: , (5)

используя известное соотношение ηПРОМ с ηВЗ и КПД коллектора ηКЛ, из (3), (4), (5) получим связь предельно достижимых значений ηПРОМ с контурным КПД ηКОН= ηЭ/ηВЗ, конструктивными параметрами ЗС и параметрами рабочего режима при γea = (0,8 ¸ 1,0) и Кh = 0,5 (для области максимального замедления в ЗС с переменным периодом):

, (6)

, (7)

где: ηР=ηКЛ×КПР — КПД рекуперации энергии ЭП в коллекторе и в предколлекторной области, КПР – коэффициент, равный отношению кинетической энергии ЭП, связанной с продольной составляющей скоростей электронов, к его полной кинетической энергии на входе в коллектор, qIЗС = РIЗС/I0U0 – относительные потери мощности электронного потока за счёт потери кинетической энергии электронов, попавших на ЗС; I0 – ток ЭП; qПК = Рпк/I0U0 – относительная мощность катода; Рпк – мощность, потребляемая катодом или катодно-сеточным узлом.

Соотношения (6) – (7), полученные с соблюдением условия ограничения тепловых потерь мощности взаимодействия, связывают ηВЗ с важными параметрами режима l, U0 и основными конструктивными данными h, a и δ, дают возможность оценить по заданным l, U0, а и δ предельные уровни ηВЗ и ηПРОМ при оптимальных значениях γea и рациональном использовании энергии ЭП. Эти соотношения позволяют выяснить, насколько результаты численных расчетов ПВ на основе решения системы нелинейных уравнений ЛБВ О-типа близки к предельным значениям. Результаты приведённых аналитических исследований доказывают первое научное положение.

Далее дается описание конструкций разработанных спиральных ЗС с обоснованием достигнутых положительных эффектов. Из (6) следует, что для увеличения эффективности взаимодействия необходимо уменьшать Кh. При заданных значениях l и U0 это достигается за счёт уменьшения δ. При этом уменьшаются потери СВЧ мощности в ЗС. Ранее эти изменения приводили к уменьшению поперечного сечения проводника спирали и соответствующему снижению надёжности ЛБВ. В диссертации предложено новое техническое решение этой проблемы: δ уменьшается без уменьшения площади поперечного сечения за счёт расположения ленточного проводника спирали широкой стороной ленты вдоль радиуса спирали. Это решение позволяет уменьшить СВЧ потери в ЗС, увеличить силу радиального давления на спираль, соответственно улучшить теплоотвод от спирали при использовании проводника из материала МАГТ 0,2, содержащего 99,8% меди, или проводника из тугоплавкого материала, покрытого медью, и в конечном итоге увеличить КПД и надёжность ЛБВ. Также для уменьшения СВЧ потерь предложено увеличить площадь поверхности проводника спирали без изменения площади его поперечного сечения, путём изменения формы периметра этого сечения. В патенте № 000 предложена конструкция ЛБВ со стержнями из ромбоэдрического нитрида бора, обладающего высокой теплопроводностью (180-200 Вт×м/К), незначительным снижением теплопроводности при повышении его температуры и низким значением относительной диэлектрической проницаемости (не более 5,3). Это позволяет увеличить теплоотвод от спирали и сопротивление связи спиральной ЗС, соответственно увеличить надёжность и КПД ЛБВ.

Результаты испытаний лабораторных и опытных образцов ЛБВ, изготовленных с использованием перечисленных технических решений и работающих в диапазонах до 15 ГГц, показали, что их ηПРОМ увеличился до 55 – 70% (для разных вариантов ПВ и многосекционных коллекторов) и они способны безотказно работать более 150 тыс. ч. с выходной мощностью 150 – 180 Вт. Эти результаты являются доказательством второго научного положения.

В главе 3 «расчёты и конструирование основных узлов спиральных ЛБВ для спутников связи» приведены результаты численного моделирования узлов и систем ЛБВ, обеспечивающие улучшение выходных параметров. Оценка результатов численного моделирования проводилась по соотношениям (6), (7). Для наглядного представления связей ηПРОМ, ηВЗ, ηКОН, ηР, рассчитаны по (7) и показаны графически зависимости ηПРОМ от ηВЗ, ηКОН, ηР. Эти зависимости для ряда значений ηВЗ показаны на рисунке 1. С помощью показанных графически зависимостей можно оперативно определить сочетания значений ηВЗ, ηКОН, ηР, которые обеспечивают увеличение КПД ЛБВ до заданных значений и получить оценку предельных значений ηВЗ и ηПРОМ, при соблюдении условий, снижающих нелинейные искажения в ЛБВ. Анализ этих графиков позволяет также выработать требования к стабильности напряжений вторичных источников питания ЛБВ. Проведенные с помощью (6)-(7) оценочные расчеты максимальной эффективности взаимодействия в ЛБВ показали, что при γea = (0,8 ¸ 1,0) и Кh≤0,5 возможно повышение ηПРОМ до 70% при предельных значениях ηЭ спиральных ЛБВ порядка% и сохранении ηКОН на уровне 90 — 95 %. На рисунке видно, что влияние потерь СВЧ мощности в ПВ на ηПРОМ растёт с увеличением ηПРОМ. Характеристикой потерь СВЧ мощности в ПВ является ηКОН. Сравнение результатов численных исследований различных вариантов ПВ показывает, что ηКОН зависит не только от удельного (на единицу длинны) затухания электромагнитной волны в ЗС без ЭП, но так же существенно зависит и от длины выходного участка ПВ, на котором значительно снижается удельное (на единицу длинны) усиление, т. е. интенсивность энергообмена в ПВ и от уровня отражений на выходе из ПВ. Контурный КПД можно представить в виде: ηКОН = (1- α1)·(1- α2), (8)

где: α1 – коэффициент, показывающий, какая доля мощности взаимодействия Рвз расходуется на потери в ЗС без учёта потерь за счёт отражения от СВЧ-выхода; α2 – коэффициент, показывающий, какая доля мощности взаимодействия расходуется на потери из-за отражения от СВЧ-выхода. Можно получить аналитическую зависимость α1 от параметров ПВ и полезные сведения общего характера для поиска лучшего варианта ПВ. Из закона сохранения энергии и уравнения, определяющего зависимость ηВЗ от длинны ПВ в нелинейной теории ЛБВ, следует:

, (9)

где: d = - α0/(βe·C) - безразмерный параметр потерь, α0 — действительная часть постоянной распространения, определяющая затухание электромагнитной волны в ЗС без ЭП дБ/м, βe = ω/ V0, F – нормированная амплитуда электромагнитного поля, Θ — безразмерная длина ПВ, ε — безразмерная текущая координата. Подставим в (9) , где А — параметр начальных потерь, х1 - действительная часть корня характеристического уравнения для нарастающей волны в линейной теории ЛБВ. После интегрирования получим для линейного режима в ЛБВ с постоянным периодом ЗС:

, (10)

Нелинейный режим характеризуется уменьшением градиента роста амплитуды вплоть до длины насыщения где и В точке насыщения х1=0, а d (в ПВ с уменьшающимся периодом ЗС) возрастает из-за возрастания α0 и уменьшения С. Приближённо, изменение α1 на нелинейном участке ПВ предложено представить в виде (11). Как видно из (11) α1 на нелинейном участке ПВ возрастает до 1 и, следовательно, ηКОН на участках, близких к точке насыщения приближается к нулю. Из этого следует, что для увеличения ηКОН необходимо уменьшать длину нелинейного участка взаимодействия.

, (11)

Приведены результаты расчётов и экспериментальных исследований вариантов ПВ ЛБВ с предложенными спиральными ЗС, выполненных с целью поиска параметров ЗС и ЭП, а также закономерностей изменения параметров ПВ на всей его длине, обеспечивающих решение поставленных в диссертационной работе задач. Расчёты выполнены по программе решения системы интегральных и дифференциальных уравнений нелинейной теории ЛБВ: возбуждения переменными токами электромагнитных волн в ЗС и движения электрически заряженных частиц при одномерном представлении ЭП виде 24-х крупных частиц (дисков) на периоде бегущей волны

На рисунках 2, 3 представлены результаты расчётов ПВ ЛБВ с предложенной конструкцией спиральной ЗС на средней частоте рабочего диапазона 11,5 ГГц. В этом варианте ПВ микропервеанс ЭП равен 0,07 мкА/В3/2, сопротивление связи спиральной ЗС на частоте 11,5 ГГц равно 49,6 Ом, на частоте 23 ГГц (второй гармоники) 3,96 Ом.

На рисунке 2 показаны зависимости параметров оптимального по ηКОН и ηПРОМ варианта ПВ от продольной координаты Z. I1, I2- безразмерные амплитуды тока на частотах первой и второй гармоник соответственно, Δφ1- разность фаз поля и тока на частоте первой гармоники, b - параметр рассинхронизма. Анализ характера изменений этих параметров вдоль ПВ показал, что фазовые положения сгустков ЭП (Δφ1) в выходной секции ПВ изменяются от 0,64π в начале выходной секции ПВ до 1,1 π в конце ПВ. Амплитуда первой гармоники тока на большой длине конечного участка ПВ достигает больших значений от 0,8 до 1,4, величина амплитуды тока на частоте второй гармоники к концу ПВ снижается до значений меньше 0,6. Кроме того, из результатов расчётов, следует (на рисунке 2 не показано), что в конце ПВ устанавливается режим взаимодействия, при котором сгустки ЭП переходят в ускоряющую фазу бегущей волны на частоте второй гармоники. Это приводит к существенному снижению уровня второй гармоники. Отмечается, что при увеличении первеанса (увеличении пространственного заряда) увеличивается расслоение электронного потока по скоростям, снижается амплитуда сгруппированного тока, сгущения электронов распадаются за более короткое время на более коротком участке ПВ, что приводит к уменьшению ηВЗ, ηКОН, ηР и ηПРОМ.

На рисунке 3 видно, что нормированный ток I/I0 на выходе из ПВ имеет характерные особенности по нормированному энергетическому составу Е/Е0, заключающиеся в формировании в составе ЭП трех локальных энергетических групп электронов. Найденная закономерность позволяет оптимизировать процесс рекуперации энергии этого ЭП. Уточнены сочетания расчётных значений ηВЗ, ηКОН, ηР для исследуемой модели ЗС и пространства взаимодействия, которые обеспечивают увеличение КПД ЛБВ до 70%. Определены также расчётные значения уровня второй гармоники (минус 29 дБ) и коэффициента амплитудно-фазовых преобразований (4,3 град/дБ).

Исследована возможность фокусировки и сопровождения в пролётных каналах ЗС с диаметром 0,8-1,1 мм ЭП с широким спектром энергий электронов с помощью магнитных периодических полей. Экспериментально показано, что в ЛБВ в режиме работы с ηЭ 30-40% и широким спектром энергий электронов в ЭП в коллектор может проходить 99 – 99,5% тока ЭП. Однако токооседание на ЗС в этом режиме может увеличиваться в 2-3 раза за счёт возвращения из коллектора электронов, появляющихся из-за вторичной эмиссии. Предложены конструктивные и технологические способы снижения обратного потока электронов из коллектора, основанные на выборе материалов токоприёмников коллектора, их геометрических размеров и форм, а также технологий обработки их внутренних поверхностей с целью снижения уровня вторичной эмиссии. Приводятся результаты снижения обратного потока электронов из коллектора в 2-2,5 раза при введении в коллектор поперечных магнитных полей.

На рисунках 4 и 5 показаны результаты расчёта электронно-оптической системы (ЭОС) ЛБВ, параметры ПВ которой показаны на рисунках 2,3.

Рис. 4. Траектории электронов и индукция магнитного поля на оси МПФС в электронной пушке и ПВ.	Рис. 5. Траектории электронов и индукция магнитного поля на оси МПФС в ЗС перед коллектором и в коллекторе.

При расчёте траекторий электронов и пространственного заряда в электронной пушке и коллекторе, итерационным методом проводилось самосогласованное решение задач траекторного анализа и расчета распределения потенциала (уравнение Пуассона). ЭП моделировался 200-ми заряженными частицами, равномерно распределёнными по сферическому радиусу катода или поперечному сечению ЭП перед коллектором. Для нахождения распределения полей применялся метод конечных элементов. В электронной пушке моделировалось ограничение катодного тока пространственным зарядом. Распределение заряженных частиц по энергиям при расчёте коллектора задавалось по результатам расчёта ПВ или по результатам измерений экспериментальных образцов.

Результаты измерения электрических параметров экспериментальных образцов этой ЛБВ показали, что найденные параметры режима и конструкция ЭОС обеспечивают высокое токопрохождение (не менее 99%) в пролётном канале ЗС и эффективную рекуперацию энергии ЭП в коллекторе. При этом экспериментальные значения КПД ЛБВ достигают 69,5%.

На основе приведённых в третьей главе сведений сформулировано третье научное положение.

В четвёртой главе «Результаты разработки, экспериментальных исследований и промышленных испытаний спиральных ЛБВ и усилителей на их основе» приводятся сведения об основных конструкторских и технологических решениях задачи обеспечения соответствия ЛБВ комплексу эксплуатационных требований, характерных для радиоаппаратуры спутников связи. На рисунках 8 и 9 показаны образцы разработанных узлов ЛБВ,: электронной пушки и коллектора.

Рис. 6. Фотография образца разработанной электронной пушки.	Рис. 7. Продольный разрез образца разработанного коллектора.

Рассмотрены различные конструктивные и технологические пути увеличения долговечности ЛБВ: снижение рабочей температуры катода, увеличение запаса активного вещества в катоде и оптимизация скорости диффузии его к эмитирующей поверхности катода; конструктивная защита высоковольтных изоляторов от продуктов испарения с поверхности катода; снижение плотности токообора с эмитирующей поверхности катода; снижение температуры деталей теплонагруженных узлов. Приведены результаты типовых испытаний серийных образцов КС ЛБВ, разработанных по рекомендациям, полученным в диссертационной работ. Описаны результаты исследований экспериментального образца ЛБВ усовершенствованной конструкции с ηПРОМ порядка 70%, предназначенной для бортового применения в разрабатываемых в настоящее время системах спутниковой связи. Эти результаты приведены в таблице 1, а так же на рисунке 3 (кривая 1).

В таблице приняты обозначения: f - рабочая частота, Рвых - выходная мощность, η4пром - КПД ЛБВ с четырёхступенчатым коллектором, Kпрб(А-Ф) — коэффициент амплитудно-фазовых преобразований, Ку — коэффициент усиления.

Таблица 1

Результаты измерения основных электрических параметров экспериментального образца ЛБВ усовершенствованной конструкции

f, ГГц	U0, В	I0, мА	Ку, дБ	Рвых, Вт	ηЭ, %	η4пром, %	Kпрб (А-Ф), град/дБ
11,00	5960	32,3	35,8	51,5	26,7	66,0	4,6
11,25	5960	32,3	36,0	56,4	29,3	69,5	4,8
11,75	5960	32,3	36,1	56,1	29,1	69,6	4,7
12,00	5960	32,3	35,7	51,7	26,8	65,3	4,7

Уровень второй гармоники относительно мощности насыщения на частотах рабочего диапазона экспериментального образца не превышал минус 29 дБ. Уровень гармоник более высокого порядка не превышал минус 36 дБ относительно мощности насыщения на рабочих частотах.

Проведены испытания экспериментального образца на долговечность в течение 500 ч. в паспортном режиме и 780 ч. в ускоренном режиме, что соответствует 195 000 ч. в паспортном режиме. При этом ресурс ЛБВ не был исчерпан, испытания прекращены в связи с окончанием работы.

Приводятся результаты исследования возможности увеличения ηПРОМ в линейном режиме работы, необходимом для получения наименьших нелинейных искажений усиливаемых в ЛБВ сигналов. Показана возможность уменьшения амплитудно-фазовых преобразований в ЛБВ за счёт изменения периода ЗС и соответствующих параметров ПВ на всей их длине.

Представлены результаты исследования возможностей снижения нелинейных искажений в нелинейных режимах работы ЛБВ, отличающихся высоким ηЭ. Приведены результаты исследования, показывающие практическую возможность и техническую целесообразность применения метода линеаризации параметров усилителей СВЧ мощности, основанного на установленном ранее1 явлении уменьшения нелинейных искажений за счёт использования усиления в ЛБВ дополнительных сигналов. Показано, что при подаче на вход ЛБВ дополнительного сигнала, полученный положительный эффект сохраняется и при отстройке его по полосе на величину, достаточную для создания технической возможности последующего удаления его вместе с возникающими комбинационными составляющими из спектра выходного сигнала усилителя мощности. Этот метод позволяет существенно снижать уровень комбинационных составляющих 3-го порядка в режимах с большим КПД ЛБВ. Проведенные эксперименты подтверждают возможность уменьшения суммарного изменения фазы выходного сигнала при переходе из линейного режима к режиму насыщения от 75 до 15 градусов и увеличение КПД ЛБВ в 5-7 раз при уровне комбинационных составляющих минус 20-24 дБ за счёт подачи в комплексированном усилителе на вход ЛБВ дополнительных сигналов за пределами его рабочей полосы.

Приведённые результаты испытаний опытных образцов ЛБВ, работающих в диапазонах 8,5 и 4 см, которые разработаны с использованием результатов диссертационной работы, подтверждают эффективность найденных технических решений и справедливость сформулированных научных положений. При переходе к более коротковолновым диапазонам проблема борьбы с потерями энергии электромагнитных волн в ЗС становится всё более значимой. В большей части эта проблема может быть решена при использовании предложенных конструкций спиральных ЗС.

Рис. 8. Образцы разработанных спиральных ЛБВ.

С использованием результатов, полученных при выполнении диссертационной работы, разработаны, поставлены на серийное производство ЛБВ средней мощности для спутников связи сантиметрового диапазона: УВ-509, УВ-524, УВ-525, УВ-526, УВ-392 и усилители на их основе, включенные в перечень приборов, разрешённых к применению. На рисунке 8 показана фотография образцов ЛБВ, разработанных с использованием результатов диссертационной работы спиральных ЛБВ средней мощности S и X диапазонов. КПД этих ЛБВ 57-63%, долговечность не менее 150 000 ч., К (АМ-ФМ) не более 5 град/дБ, уровень второй гармоники в режиме насыщения не более минус 25 дБ.

Эти ЛБВ поставлены на серийное производство в «Алмаз», ими укомплектованы действующие в настоящее время Российские спутники связи.

Результаты диссертационной работы, приведённые в 4-й главе, служат доказательством четвёртого научного положения.

Заключение и основные выводы по работе

В результате выполнения работы решены следующие задачи:

1.  Получены, необходимые для оперативного выбора конструкции ЛБВ и режима ее работы, аналитические зависимости, определяющие связь предельно возможных и реально достижимых значений электронного и промышленного КПД с конструктивными параметрами ЗС, параметрами рабочего режима и рекуперации.

2. Исследовано влияние разброса энергий электронов в пространстве взаимодействия (ПВ) на токопрохождение в пролётном канале и эффективность рекуперации энергии электронного потока (ЭП) в коллекторе и определены критерии оценки и направления улучшения выходных параметров ПВ ЛБВ, применяемых в усилителях спутников связи.

3. Определены оптимальные функции изменения параметров ЗС и ПВ на всей их длине, обеспечивающие высокие значения электронного и контурного КПД и КПД многоступенчатой рекуперации.

4.  Найдены новые конструкторские и технологические решения, обеспечивающие снижение потерь мощности электромагнитных волн в спиральных ЗС.

5.  Разработана конструкция ЛБВ, с многоступенчатой рекуперацией и спиральной ЗС, имеющей малые потери мощности электромагнитной волны (А. с. №1 А. с. №1 патент № 000), обеспечивающая повышение надёжности ЛБВ, получение ηПРОМ порядка 70% при высоком качестве усиливаемого сигнала.

6.  Найдены конструкторские и технологические решения задач электронной оптики, способствующие увеличению надежности и повышению КПД ЛБВ.

7. Созданы лабораторные образцы ЛБВ с КПД около 70%, долговечностью 100-150 тыс. ч., коэффициентом амплитудно-фазовых преобразований не более 5 град/дБ и уровнем гармоник в спектре выходного сигнала не более минус 25 дБ.

8. На основе обобщения результатов проведенных исследований выработаны рекомендации, обеспечивающие дальнейшее повышение надежности и эффективности ламп бегущей волны, применяемых в выходных усилителях спутников связи.

Содержание диссертации изложено в следующих работах:

Публикации в центральных изданиях, включенных в перечень

периодических изданий, рекомендованных ВАК Минобрнауки России

1.  Шалаев  П. Д. Результаты экспериментальных исследований амплитудной и фазовой модуляции в двухчастотном режиме работы спиральной ЛБВ с высоким электронным КПД / , // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2010. №3(48). С. 99 – 105.

2.  Шалаев  П. Д. Результаты исследования возможности повышения КПД ЛБВ в составе СВЧ-усилителя мощности в линейном режиме работы / , // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2011. №1(52). С. 170 – 180.

3.  Шалаев  П. Д. Высокоэффективные лампы с бегущей волной / , // Радиотехника и электроника. 1991. вып. 10, С. .

4.  Шалаев  П. Д. О моделировании многоскоростного электронного потока / , , // Математическое моделирование. 1997, Т. 9, №11, С. 14-22.

5.  Шалаев  П. Д. Новые разработки бортовых ламп бегущей волны для космических аппаратов / , , // Радиотехника. 2001. №2. С. 33 – 36.

6.  Шалаев  П. Д. Высокоэффективный малогабаритный усилитель сантиметрового диапазона длин волн / , , // Радиотехника. 2002. №2. С. 53 – 56.

Патенты и авторские свидетельства

7.  , Харченко № 000 на изобретение "Лампа бегущей волны". Зарегистрировано в Государственном реестре изобретений Российской Федерации 10 марта 2008 г. Заявка № . Приоритет изобретения 16 мая 2006 г

8.  , , Шалаев свидетельство № 000 на изобретение "Лампа бегущей волны". Зарегистрировано в Государственном реестре изобретений СССР 15 августа 1989 г. Заявка № 000. Приоритет изобретения от 01.01.01 г.

9.  , Шалаев свидетельство № 000 на изобретение "Лампа бегущей волны". Зарегистрировано в Государственном реестре изобретений СССР 3 января 1992 г. Заявка № 000. Приоритет изобретения от 4 августа 1989 г.

Публикации в других изданиях

10. Шалаев  П. Д. Результаты экспериментальных исследований спиральной ЛБВ с высоким электронным КПД в двухчастотном режиме работы / , //9-я Международная научно-техническая конференция Актуальные проблемы электронного приборостроения. АПЭП-2010" Саратов. Изд. СГТУ. 22 – 23 сентября 2010. С. 157 – 162.

11. Шалаев  П. Д. Результаты исследования амплитудных характеристик спиральной ЛБВ с высоким КПД электроники / , // Материалы научно-технической конференции "Электронная и вакуумная техника: Приборы и устройства. Технология. Материалы". Саратов. ОАО "НПП "Контакт". Изд. Саратовского ун-та. 24 – 25 сентября 2009. Выпуск 3. С

12. Шалаев  П. Д. Технология и обеспечение качества ЛБВ для бортовой аппаратуры космических платформ. / , , // Материалы научно-технической конференции "Электронные приборы и устройства СВЧ". .Саратов. ФГУП "НПП "Алмаз". Изд. Саратовского ун-та. 28 – 30 августа 2007. С.

13. Шалаев  П. Д. Об анализе направлений повышения КПД ЛБВ / Д // Материалы международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения. АПЭП-2006". Саратов. Изд. СГТУ. 20 – 21 сентября 2006. С. 120 – 127.

14. Об одной возможности оценки конструктивных ограничений электронного КПД спиральных ЛБВ / Шалаев  П. Д. // Материалы международной научно-технической конференции " Радиотехника и связь". Саратов. Изд. СГТУ. 18 – 20 мая 2005. С. 372 – 377.

15. Шалаев  П. Д. О корреляции флуктуаций расчётных параметров многоступенчатых коллекторных систем с погрешностями численной модели/ , , // Материалы международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения. АПЭП-2000". Саратов. Изд-во СГТУ. 2000. С. 159 – 164.

16. Шалаев  П. Д. Результаты разработки образца ЛБВ средней мощности в трёхсантиметровом диапазоне с КПД до 69%. / // Материалы научно-технической конференции "Перспективы развития электроники и вакуумной техники на период 2001 – 2006 гг." Саратов. ГНПП "Контакт". Изд. Саратовского ун-та. 22 – 23 февраля 2001. С 6

17. Шалаев  П. Д. Малогабаритный усилитель СВЧ-мощности Х-диапазона частот с большим КПД и повышенной линейностью характеристик / , , // Материалы научно-технической конференции "Электронные приборы и устройства нового поколения". Саратов. Изд. Саратовского ун-та. 14 – 15 февраля 2002. С.

18. Шалаев  П. Д. Исследование амплитудно-фазовых характеристик спиральных ЛБВ средней мощности с высоким электронным КПД / , // Материалы научно-технической конференции "Перспективные направления развития электронного приборостроения". Саратов. ФГУП "НПП "Контакт". Изд. Саратовского ун-та. 18 – 19 февраля 2003. С

19. Shalaev P. D. High-Perveance Electron Optic System with Low-Voltage Non-Gridded Control / Babanov G. N., Morev S. P., Shalaev P. D.// Proceeding of the Fourth International Vacuum Electron Sources Conference. Saratov, Russia, July 15-19, 2002. Saratov: Publishing House of the State Educational & Scientific Center “College”, 2002. P.315-316.

20. Шалаев  П. Д. Новые технологии в ЛБВ для бортовых и наземных систем спутниковой связи / , , // Материалы научно-практической конференции РАСУ "Новые технологии в радиоэлектронике и системах управления". Саратов. ФГУП "НПП "Алмаз". Изд. Саратовского ун-та. 22 – 25 сентября 2003. С. 274 – 286.

_____________________________

1 Кац в лампах с бегущей волной. Часть 1. Лампа с бегущей волной О-типа / , , // Изд. СГУ. 1964. С. 143.