Увеличение выходной мощности и рабочей частоты широкополосных ЛБВ

Размещено на http://www.allbest.ru/

Увеличение выходной мощности и рабочей частоты широкополосных ЛБВ

Ю.Н. Пчельников

Аннотация

В работе рассматривается возможность повышения выходной мощности и увеличения рабочей частоты широкополосных ЛБВ. Предложены варианты и модификации замедляющих систем с уменьшенной периодичностью, что позволяет использовать их при увеличенных напряжениях электронного потока без возбуждения на обратной волне.

Ключевые слова: лампа бегущей волны, замедляющая система, поток электронов, дисперсионная характеристика, взаимодействие.

We consider the possibility of increasing the output power and increase of the operating frequency broadband TWT. The variants and modifications of a slow-wave structure with a reduced periodicity, allowing using them with an increased voltage of the electron beam without excitation on the backward wave are presented.

Keywords: traveling-wave tube, slow-wave structure, electron beam, dispersion characteristics, interaction.

Под определение широкополосные ЛБВ будем относить лампы с двухэлектродной замедляющей системой (ЗС), начиная со спирали и её модификаций, таких как «кольцо-стержень», «кольцо-кольцо» и др., т.е. ЗС, не имеющие низкочастотной отсечки. При этом независимо от типа ЗС, её размеров и рабочего диапазона волн, средняя частота всегда соответствует приблизительно одному и тому же значению произведения поперечной постоянной на радиус или высоту соответственно цилиндрического или прямоугольного пролётного канала. Для цилиндрического канала порядка 11.5, для прямоугольного - несколько меньше. Увеличение рабочей частоты сопровождается увеличением поперечной постоянной и, следовательно, уменьшением радиуса или высоты пролётного канала со всеми вытекающими отсюда последствиями.

Как известно, полоса усиления ЛБВ ограничивается дисперсией ЗС, а также зависимостью коэффициента связи замедленной волны с электронным потоком (ЭП) от параметра или . Применение продольно-проводящего экрана [1] или диэлектрических опор специальной формы [2] позволяет уменьшать наклон дисперсионной характеристики, расширяя полосу усиления до двух-трёх октав [3]. Однако так как уменьшение дисперсии обычно сопровождается уменьшением коэффициента связи, то приходится искать компромисс между этими параметрами.

Более серьёзной проблемой является ограничение рабочего напряжения ЭП, а, следовательно, выходной мощности и рабочей частоты, величиной, которая в случае спиральных ЛБВ лишь немногим превышает 10 кВ [4], ограничение, вызванное самовозбуждением на обратной волне. Применение резонансных поглотителей [5], а также существенное уменьшение радиуса ЭП позволяет поднять рабочее напряжение вплоть до 20 кВ. Однако при этом происходит как ограничение полосы усиления, так и уменьшение эффективности взаимодействия ЭП с усиливаемой волной.

I. Цилиндрический поток электронов

Предельное напряжение

При заданном интервале значений параметра , радиус пролётного канала тем больше, чем меньше замедление , т.е. больше напряжение ЭП . Полагая , где - фазовая постоянная, и параметр на коротковолновом краю рабочего диапазона равным двум, находим

, (1)

где - длина волны в свободном пространстве.

C учётом того, что равенство скоростей нулевой и минус первой пространственных гармоник происходит приблизительно при , получим из соотношения (1) потенциал ЭП, при котором работа без возбуждения уже невозможна

(2)

Не останавливаясь на упомянутых выше полиативных решениях, в виде резонансных поглотителей и уменьшения радиуса ЭП, отметим, что избежать возбуждения на минус первой гармонике можно уменьшая период ЗС при сохранении или уменьшении замедления.

Модифицированные спирали

К существенному уменьшению замедления при сохранении продольной периодичности приводит замена спирали системой «кольцо-перемычка». Однако при этом наклон дисперсионной характеристики существенно увеличивается. Хотя применение такой ЗС и позволило поднять выходную мощность ЛБВ, азимутальная периодичность, создаваемая перемычками, приводит к неустойчивой работе уже при напряжении порядка 20 кВ. Замена перемычек наклонёнными к оси кольцами позволяет уменьшить период системы вдвое и значительно повысить рабочее напряжение.

На рис. 1 приведены дисперсионные характеристики макетов обеих упомянутых ЗС и показана их конфигурация. Для сравнения показана зависимость замедления от параметра , полученная для обычной спиральной ЗС с теми же геометрическими размерами, что и модифицированные спирали. Из рис. 1 видно, что при представляющих практический интерес значениях параметра порядка 12, замедление волны в ЗС "кольцо-кольцо" приблизительно в полтора раза меньше чем в спирали при вдвое меньшем периоде. При этом наклон дисперсионной характеристики относительно небольшой.

Рис. 1. Дисперсионные характеристики (зависимость замедления от параметра ) спирали со средним радиусом в цилиндрическом экране с радиусом (пунктирная кривая) и характеристики модифицированных спиралей в экране с теми же значениями радиуса и шага и тем же экраном (сплошные кривые)

а рис. 2 показана модель спиральной ЗС с азимутально-проводящим экраном радиуса и изотропным экраном радиуса . Возбуждаемый в кольцах ток уменьшает индуктивность спирали и, следовательно, замедление, что при сохранении той же периодичности (шага), позволяет поднять рабочее напряжение (дисперсионные характеристики на рис. 3). Следует отметить, что в отличие от экрана с продольной проводимостью, уменьшающего связь с ЭП, наличие колец, как это показано в работе [6], приводит к увеличению этой связи. Это позволяет уменьшить радиус изотропного экрана и улучшить фокусировку ЭП.

Рис. 2. Спираль в кольцах

Рис. 3. Относительное замедление

На рис. 4 показана спираль, установленная через диэлектрические прокладки в проводящие кольца, закреплённые диэлектрическими опорами в изотропном экране. Реальная ЗС отличается от модели конечной шириной колец и, следовательно, величиной возбуждаемого в них тока. Это позволяет располагать относительно узкие кольца близко к спирали, не вызывая слишком большого уменьшения замедления.

Рис. 4. Спираль в кольцах

Рис. 5. Спираль в кольцах с зазорами

При введении в кольца емкостных зазоров (рис. 5), влияние колец несколько уменьшается на низкочастотном краю рабочего диапазона и увеличивается с ростом частоты, уменьшая наклон дисперсионной характеристики вплоть до появления аномальной зависимости [7].

Поперечные опоры

Применение колец существенно упрощается при использовании для их крепления диэлектрической втулки с кольцевыми пазами или набора диэлектрических колец с разными диаметрами (рис. 6) [8]. Вызываемая диэлектрическими кольцами разной высоты анизотропия сопровождается уменьшением наклона дисперсионной характеристики (рис. 7), добавление металлических колец - уменьшением замедления.

Рис. 6. Модель спиральной ЗС в азимутально-проводящем
экране с кольцевыми опорами

Рис. 7. Дисперсионные характеристики спирали в экране: 1 - без заполнения диэлектриком; 2 - с диэлектрическим заполнением снаружи спирали с относительной проницаемостью ; 3 -анизотропный диэлектрик с радиальной проницаемостью и продольной проницаемостью ; 4 - при , ; значения усреднены по длине

Биспираль в азимутально-проводящем экране

При исследовании спирали в азимутально-проводящем экране выяснилось, что такой экран не только уменьшает замедление и улучшает взаимодействие с полем синфазной волны, но и увеличивает замедление противофазной волны, одновременно уменьшая продольное электрическое поле. Таким образом, происходит не только рассинхронизм волн, но и существенное уменьшение взаимодействия противофазной моды обратной волны с ЭП, исключающие самовозбуждение на обратной волне. Возбуждение на минус первой гармонике синфазной волны также исключается благодаря вдвое меньшей периодичности (вплоть до замедления равного 22.5).

На рис. 8 приведены экспериментальные зависимости замедления N от параметра , полученные на макетах двухзаходной спирали с теми же поперечными размерами и при той же технологии изготовления, что и макеты ЗС, показанные на рис. 1. Кольца установлены над каждым витком спиралей, ширина колец составляет половину периода и приблизительно равна ширине витков спиралей. При этом период такой ЗС вдвое меньше шага каждой из спиралей.

Рис. 8. Экспериментальные зависимости замедления N от параметра

1 - синфазная мода в спирали без колец; 2 - синфазная мода в спирали с кольцами;3 - противофазная мода в спирали без колец; 4 - противофазная мода в спирали с кольцами

Для разработки реальных ЛБВ на биспиралях с экраном из колец потребуется оптимизация ширины колец, зазора между спиралями и кольцами, включая выбор материала прокладок и технологии изготовления. Из рис. 8 видно, что кольца почти вдвое уменьшают замедление синфазной волны, существенно увеличивая замедление противофазной волны. Это делает возможным стабильную работу ЛБВ с такой ЗС при напряжениях 4060 кВ.

Биспираль с кольцевыми связками

Для устранения самовозбуждение на противофазной волне спирали соединяют кольцевыми связками [9]. При этом замедление становится значительно меньше, а наклон дисперсионной характеристики существенно увеличивается. Проведенные исследования показали, что уменьшая толщину связок, т.е. увеличивая их индуктивность, можно улучшить дисперсию и несколько увеличить замедление (рис. 9).

широкополосный спиральный кольцевой азимутальный

Рис. 9. Дисперсионные характеристики биспирали в изотропном экране с радиусом и периодом равным без связок - 1 и со связками из проволоки разного диаметра: 2 - диаметр; 3 - ; 4 - получена с лентой шириной равной ; пунктирная прямая соответствует геометрическому замедлению спирали, равному 3.8

Кольца, соединённые связками

Как оказалось, неплохой альтернативой спиральной ЗС является продольный ряд колец, соединённых спиральными, наклонными или продольными связками [10, 11]. Основная особенность таких ЗС в небольшой зависимости замедления от периода. Это позволяет получать сколь угодно малую периодичность при относительно небольших замедлениях, т.е. возможность работать при напряжениях, значительно превышающих 10 кВ.

На рис. 10 показана ЗС в виде колец, соединённых двумя спиралями, радиус , которых, по крайней мере, вдвое меньше радиуса колец. На рис. 11 показана дисперсионная характеристика такой ЗС в сравнении с характеристикой обычной спирали с тем же пролётным каналом и вдвое большим шагом. Из рисунка видно, что периодичность колец, соединённых спиралями, существенно меньше периодичности спирали при несколько меньшем замедлении и почти таком же наклоне дисперсионной характеристики. Периодичность определяется отношением сдвига фазы на период к .

Рис. 10. Модель ЗС «кольца связанные спиралями»

Рис. 11. Дисперсионные характеристики и периодичность соединённых спиралями колец и обычной спирали (эксперимент)

Ленточный поток электронов

При увеличении рабочей частоты электрическое поле замедленной волны концентрируется около поверхности спирали, уменьшаясь на оси, т.е. в цилиндрическом ЭП. Поэтому ЛБВ с трубчатым ЭП, в частности цэфотроны, успешно работали на относительно высоких частотах при значениях параметра больших двух [8]. Сплющивание спирали и применение ленточного потока, казалось бы, должно было позволить увеличить связь с ЗС на высоких частотах и, тем самым, увеличить предельные частоты ЛБВ. Последние работы Л.Н. Лошакова с его учениками были посвящены анализу ЛБВ с эллиптической спиралью [12, 13]. Предполагалось, что использование ленточного ЭП позволит увеличить ток при относительно малом напряжении и увеличить рабочую частоту. К сожалению, в случае прямоугольной спирали синхронизм нулевой и минус первой пространственных гармоник наступает при большем замедлении, чем в случае цилиндрической спирали, что практически исключает применение спирали в ЛБВ с ленточным ЭП. В этом случае на смену спирали приходят штыревые ЗС, такие в частности как связанные штыревые гребёнки (рис. 12) [14] или обычные гребёнки (рис. 13) и др. [15].

Рис. 12. Связанные штыревые гребёнки Рис. 13. Связанные гребёнки

Отличительной особенностью связанных ЗС является возможность возбуждения как синфазной, так и на противофазной мод, т.е. осуществлять, как продольное, так и поперечное взаимодействие с ЭП.

1. Связанные импедансные проводники

В отличие от биспирали, обеспечивающей близкое к геометрическому замедление как синфазной, так и противофазной волны, ЗС, образованные параллельными импедансными проводниками с конфигурацией в виде зеркальных отображений друг друга, вызывают существенно меньшее, чем геометрическое замедление синфазной и существенно большее замедление противофазной волны. При этом продольное электрическое поле противофазной волы проходит через ноль в продольной плоскости симметрии. Таким образом, такие ЗС можно использовать как для продольного, так и для поперечного взаимодействия.

Сказанное подтверждается приведенными на рис. 14 дисперсионными характеристиками связанных штырей шириной . Даже при относительно большой высоте пролётного канала, равной , т.е. при относительно слабой связи между проводниками, значения замедления отличаются почти вдвое. Аналогичные зависимости имеют место и для других связанных ЗС.

Рис. 14. Дисперсионные характеристики ЗС связанные штыри.

Хотя синфазная и противофазная моды в связанных ЗС отличаются величиной замедления, в некоторых случаях возникает необходимость подавления противофазной моды. Сделать это можно с помощью поперечных связок по краям импедансных проводников.

2. ЗС «прямоугольные кольца»

Введение поперечных связок возвращает нас к ЗС, образованными связанными в продольном направлении кольцами, с той лишь разницей, что эти кольца имеют прямоугольное сечение. В результате была предложена показанная на рис. 15 новая ЗС, «наклонно-связанные прямоугольные кольца» [16]. Соединённые наклонными связками, кольца имеют достаточно малую периодичность при рабочих напряжениях порядка 2040 кВ, обеспечивая хорошее взаимодействие с ЭП в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах волн благодаря малой высоте пролётного канала.

Рис. 15. ЗС типа наклонно-связанные прямоугольные кольца.

Проводники с узкой стороны колец образуют индуктивность, в то время как проводники сверху и снизу - ёмкость. Выбором размеров можно обеспечить равенство фазовой скорости () и скорости ЭП. Кроме того, период может быть намного меньше того, при котором возможно возбуждение на обратной волне. Существенное преимущество такой ЗС в простоте изготовления (фрезеровкой конических пазов в прямоугольном волноводе).

Из рис. 16 видно, что в предложенной ЗС взаимодействие ЭП с продольным электрическим полем замедленной волны возможно лишь на основной (нулевой) моде. Следующие две моды не только практически не связаны с ЭП но, как это видно из дисперсионных характеристик, приведенных на рис. 17, далеки от синхронизма с нулевой модой.

Рис. 16. Распределение электрического поля для разных мод в ЗС "наклонно-связанные прямоугольные кольца" (из работы [16]).

Рис. 17. Зависимости частоты от сдвига фазы на период, рассчитанные для трёх низших мод (из работы [16]).

Прямоугольный волновод со щелями

Боле простой, чем рассмотренная выше ЗС, является прямоугольный волновод со щелями (рис. 18) [17]. Несмотря на, казалось бы, короткое замыкание колец в продольном направлении, индуктивность связок и взаимная ёмкость колец обеспечивают замедление волны в достаточно широком диапазоне частот.

Рис. 18. Прямоугольный волновод со щелями

Приведенные на рис. 19 зависимости замедления от параметра рассчитаны для трёх разных отношений ширины волновода к половине его высоты . Расстояние до экрана выбрано равным . Точками показаны результаты измерений, полученные для .

Рис. 19. Дисперсионные характеристики волновода со щелями.

Заключение

На основании проведенных исследований показана возможность дальнейшего увеличения выходной мощности и рабочей частоты широкополосных ЛБВ.

Предложены варианты и модификации замедляющих систем с уменьшенной периодичностью, что позволяет использовать их при увеличенных напряжениях электронного потока без возбуждения на обратной волне.

Результаты анализа, компьютерного моделирования и непосредственных измерений подтверждают положительные свойства предложенных систем.

Литература

1. А.с. №324674. СССР. МПК6 H01J23/22. Спиральная замедляющая система. Ю.Н. Пчельников, Н.П. Кравченко. Заявка № 1444459, опуб. 01.01.1972. Бюл. № 2.

2. Тагер А.С., Солнцев В.А. Исследование дисперсии спиральной линии замедления с диэлектрическими опорами // Труды НИИ. 1955. Вып. 1. С. 21.

3. Пчельников Ю.Н., Елизаров А.А. Анализ методов увеличения выходной мощности и рабочей частоты широкополосных ламп с бегущей волной // Радиотехника и электроника. 2009. Т. 54. № 9. С. 1082.

4. Лошаков Л.Н., Пчельников Ю.Н. Увеличение мощности широкополосных ламп с бегущей волной // Изв. вузов СССР. Радиоэлектроника. 1978. Т. 21. № 10. С. 64.

5. Scott A., Cascone M.J. What's new in helix TWT's // International Electron Devices Meeting: Technical Digest. Washington DC, USA. 1978. P. 536-530.

6. Дёмина Г.Р., Изюмова Т.И., Пчельников Ю.Н. Влияние экрана с анизотропной проводимостью на дисперсионные свойства и коэффициент связи спиральной замедляющей линии // Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ. 1967. № 9. С. 41-49.

7. Пчельников Ю.Н., Шумская Л.П. Спираль в экране с емкостной проводимостью в азимутальном направлении // Радиотехника и электроника. 1999. Т. 44. № 9. С. 1139.

8. Пчельников Ю.Н. Коррекция дисперсионной характеристики спиральной замедляющей системы в лампах с бегущей волной // Радиотехника и электроника. 2011. Т. 56. № 4. С. 439.

9. Kennedy J.B., Ferguson P.E., Christensen J.A. Techniques for high average power traveling-wave tubes // Conf. Electron Device Techniques, New York City, USA. 1970. P. 71.

10. Pchelnikov Yu.N. Novel Slow-wave structure for high voltage TWTs // International Vacuum Electronics Conference (IVEC), IEEE International Conference Publications. USA, Monterey. 2012. P. 273.

11. Пчельников Ю.Н., Мирошниченко А.Ю. Замедляющая систем «продольно-связанные кольца» // Актуальные проблемы электронного приборостроения: материалы Междунар. науч.-техн. конф. Саратов: 2012. С. 196-203.

12. Лошаков Л.Н., Шумская Л.П., Иванова Н.Е. К расчёту медленной волны в спиральной линии с эллиптическим сечением // Радиотехника и электроника. 1980. Т. 25. № 11. С. 2286.

13. Лошаков Л.Н., Шумская Л.П. Расчёт параметров связи электронного потока с полем спирали эллиптического сечения // Радиотехника. 1983. № 12. С. 72.

14. Пчельников Ю.Н., Виноградов А.И., Пчельников А.Г. Исследование штыревых замедляющих систем // Радиотехника и электроника. 1997. Т. 42. №3. С. 267.

15. Pchelnikov Yu.N. The sheet electron beam interaction with the in-phase mode in the opposing combs // International Vacuum Electronics Conference (IVEC), IEEE International Conference Publications. USA, Monterey. 2010. P. 457.

16. Pchelnikov Yu.N., Abe D.K. A novel millimeter-wave slow-wave structure for longitudinal interaction with a sheet electron beam // International Vacuum Electronics Conference (IVEC), IEEE International Conference Publications. USA, Monterey. 2010. P. 495.

17. Pchelnikov Yu.N. Slow-wave structure formed by rectangular rings // International Vacuum Electronics Conference (IVEC), IEEE International Conference Publications. Rome, Italy. 2009. P. 235.

Размещено на Allbest.ru