ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНАЯ ШИРОКОПОЛОСНАЯ УСИЛИТЕЛЬНАЯ ЦЕПОЧКА НА ОСНОВЕ ВАКУУМНЫХ СВЧ ПРИБОРОВ

Полезная модель относится к области вакуумной СВЧ-электроники и предназначена для усиления принципиально широкополосных и сверхширокополосных сигналов и может найти применение в системах связи (в том числе спутниковой), навигации, радиолокации.
Известны различные устройства усилительных цепочек на основе вакуумных СВЧ-приборов для усиления узкополосных и широкополосных СВЧ-сигналов. Развитие многоцелевой радиолокации, дальней тропосферной и космической связи, современных средств радиоэлектронного подавления (РЭП), а также перспективных информационных каналов систем управления оружием требует создания широкополосных усилителей СВЧ-колебаний большой мощности свыше 100 Вт. Наиболее перспективными электровакуумными приборами, позволяющими создать такие усилители, являются лампы бегущей волны (ЛБВ) О-типа с продольными электрическим и магнитными полями. Благодаря распределенному по длине взаимодействию электронного пучка с электромагнитным полем бегущей волны в приборах этого типа достигается значительное усиление при сравнительно небольшом токе пучка. Применение замедляющих систем со слабо выраженными резонансными свойствами обеспечивает усиление в широкой полосе частот, достигающей двух и более октав. Мощные ЛБВ непрерывного и импульсного режимов относятся к наиболее быстро развивающейся группе приборов СВЧ. Широкая полоса усиливаемых частот наиболее просто достигается применением спиральных замедляющих систем. Для получения предельных параметров по мощности и КПД широкое распространение также получили усилительные цепочки.
Известна усилительная цепочка, состоящая из предварительного усилителя на основе лампы бегущей волны (ЛБВ) с большим коэффициентом усиления и выходной "прозрачной" ЛБВ без встроенных поглотителей с небольшим коэффициентом усиления (7-9 дБ). Такая цепочка характеризуется высоким КПД, большим значением коэффициента усиления и большой полосой усиливаемых сигналов в случае работы усилительных ламп на спиральной линии замедления. В этом случае сигнал подают сначала на СВЧ-вход первой (входной) ЛБВ с большим коэффициентом усиления (30-40 дБ), содержащей встроенный СВЧ-поглотитель. Далее усиленный сигнал снимают через СВЧ-выход первой ЛБВ и через коаксиальную цепь связи подают на СВЧ-вход второй ЛБВ (выходной лампы). Усиленный сигнал снимают с СВЧ-выхода второй ЛБВ (статья Ильин E.М., Калинин Ю.А., Кудряшев В.П., Электронная техника. Серия 1. Электроника СВЧ. 1974. № 8. С. 33-39).
Недостатком такой схемы является то, что выходная прозрачная усилительная ЛБВ должна иметь малый коэффициент усиления (7-9 дБ). При больших коэффициентах усиления в усилительной цепочке начинает возникать паразитное возбуждение за счет отражения от нагрузки и СВЧ-выхода выходной прозрачной ЛБВ. Отраженный сигнал возбуждает непосредственно саму выходную прозрачную ЛБВ, а также по коаксиальной линии связи отраженный сигнал передается на выходную секцию входной ЛБВ, усиление которой составляет 15-20 дБ.
Наиболее близким техническим решением к заявляемой полезной модели является усилительная цепочка на основе вакуумных СВЧ-приборов (см. патент РФ на ПМ №160171, МПК H03F1/28, H01J25/34). Цепочка содержит последовательно расположенные входную ЛБВ с вводом и выводом энергии, коаксиальную линию связи, выходную прозрачную ЛБВ с вводом и выводом энергии и промежуточную прозрачную ЛБВ в режиме подавления входного сигнала. Причем вывод энергии входной ЛБВ соединен коаксиальной линией связи с выводом энергии промежуточной ЛБВ, а ввод энергии промежуточной ЛБВ соединен коаксиальной линией связи с вводом энергии выходной ЛБВ.
Недостатком такой схемы является наличие промежуточной лампы, требующей для своей работы определенных энергетических затрат, что отрицательным образом сказывается как на величине электронного КПД, так и на величине технического КПД  всей усилительной цепочки в целом, значения которых не превышают 26 и 46% соответственно.
Технической проблемой данного технического решения является создание такой усилительной цепочки, которая могла бы преодолеть указанные выше недостатки существующего аналога и обеспечила получение усиления внешних широкополосных и сверхширокополосных полезных сигналов не менее 50 дБ.
Технический результат, достигаемый в предложенном устройстве, состоит в повышении электронного КПД всей усилительной цепочки в целом до значения не менее 50 %, а технического КПД – не менее 60%, при сохранении механизма подавления паразитных сигналов.
Техническая проблема решается тем, что в усилительной цепочке на основе вакуумных СВЧ-приборов, содержащей входную ЛБВ с вводом и выводом энергии, коаксиальную линию связи, один конец которой подключен к выводу энергии входной ЛБВ, выходную прозрачную ЛБВ с вводом и выводом энергии, согласно решению выходная прозрачная ЛБВ содержит прикатодную сетку, соединенную с вводом энергии, подключенным ко второму концу коаксиальной линии связи.
Полезная модель поясняется чертежами и таблицей.
На фиг. 1 представлена принципиальная схема конструкции усилительной цепочки в целом.
На фиг. 2 представлена принципиальная схема конструкции выходной прозрачной ЛБВ с малым коэффициентом усиления.
В таблице 1 представлены выходные характеристики усилительных цепочек при фиксированной длине спиральной замедляющей системы.
Позициями на чертежах обозначены:
1. – входная ЛБВ;
2. – выходная прозрачная ЛБВ с малым коэффициентом усиления;
3. – коаксиальная линия связи;
4. – коаксиальный широкополосный ввод энергии входной ЛБВ;
5. – коаксиальный широкополосный вывод энергии входной ЛБВ;
6. – коаксиальный широкополосный ввод энергии выходной прозрачной ЛБВ;
7. – коаксиальный широкополосный вывод энергии выходной прозрачной ЛБВ;
8. – катод, входящий в состав катодно-сеточного узла выходной прозрачной ЛБВ;
9. – прикатодная сетка, входящая в состав катодно-сеточного узла выходной прозрачной ЛБВ;
10.  – анод выходной прозрачной ЛБВ;
11. – спиральная замедляющая система выходной прозрачной ЛБВ;
12. – коллектор выходной прозрачной ЛБВ.
Усилительная цепочка на основе вакуумных СВЧ-приборов (фиг. 1) содержит последовательно расположенные входную ЛБВ 1 с большим коэффициентом усиления с вводом 4 и выводом 5 энергии, коаксиальную линию связи 3, выходную прозрачную ЛБВ с малым коэффициентом усиления 2, содержащую катод 8, прикатодную сетку 9, коаксиальный широкополосный ввод энергии 6, анод 10, спиральную замедляющую систему 11, коаксиальный широкополосный вывод энергии 7 и коллектор 12.
Каждая ЛБВ, входящая в состав усилительной цепочки, снабжена вводом и выводом энергии. Ввод энергии 4 входной ЛБВ 1 является входом заявляемой усилительной цепочки, а вывод энергии 5 входной ЛБВ 1 соединен посредством коаксиальной линии связи 3 с вводом энергии 6 выходной прозрачной ЛБВ 2. Ввод энергии 6 выходной прозрачной ЛБВ с малым коэффициентом усиления 2 соединен с прикатодной сеткой 9 (фиг. 2) катодно-сеточного узла, а коаксиальный широкополосный вывод энергии 7 выходной прозрачной ЛБВ 2 является выходом заявляемой усилительной цепочки.
В качестве входной усилительной ЛБВ 1 может быть использована ЛБВ с большим коэффициентом усиления 30-40дБ, содержащая встроенный поглотитель.
В предлагаемой схеме усилительной цепочки отсутствует промежуточная прозрачная ЛБВ, а механизм подавления паразитных сигналов реализуется за счет того, что СВЧ-вход в выходной ЛБВ отсоединен от спиральной замедляющей системы.
Полезная модель работает следующим образом.
Полезный СВЧ-сигнал подают на ввод энергии 4 входной ЛБВ 1. Далее усиленный сигнал снимают с вывода энергии 5 входной ЛБВ 1 и через коаксиальную цепь связи 3 подают на ввод энергии 6 выходной прозрачной ЛБВ с малым коэффициентом усиления 2. Электронный поток в выходной прозрачной ЛБВ 2 эмитируется с катода 8 за счет приложенного ускоряющего напряжения на аноде 10 и проходит через прикатодную сетку 9. На прикатодную сетку 9, расположенную непосредственно сразу после катода 8 и перед анодом 10, подается внешний сигнал с входной ЛБВ 1. Электронный поток, проходя через прикатодную сетку 9, модулируется по скорости в соответствии с приложенным на нее внешним сигналом. Далее распространяясь в пространстве дрейфа в электронном потоке, группировка по скорости переходит в группировку по плотности. Сгруппированный электронный поток, распространяясь вдоль замедляющей системы 11, наводит в ней усиленный полезный СВЧ-сигнал, который снимают через вывод энергии 7 выходной прозрачной ЛБВ 2. Так как спиральная замедляющая система 11 не связана с прикатодной сеткой 9, то любое возникающее паразитное возмущение не передается на прикатодную сетку 9, и соответственно, на ввод энергии 6 выходной прозрачной ЛБВ 2. Соответственно через коаксиальную линию связи 3 не передается паразитного возмущения на вывод энергии 5 входной ЛБВ 1 и соответственно ее выходная усилительная секция не возбуждается паразитным возмущением. Таким образом, за счет развязки вывода энергии 7 и ввода энергии 6 в выходной прозрачной ЛБВ 2, паразитный сигнал не поступает на вывод энергии 5 выходной секции входной ЛБВ 1 и соответственно предотвращается ее паразитное возбуждение, тем самым, формируя механизм подавления паразитных возмущений.
e
Проведенные экспериментальные исследования показали, что при фиксированной длине спиральной замедляющей системы коэффициент усиления выходной прозрачной ЛБВ (в режиме отсутствия самовозбуждения) составляет 8.4 дБ для прототипа и 13.2 дБ для заявляемой полезной модели. При увеличении длины спиральной замедляющей системы выходной прозрачной ЛБВ ее коэффициент усиления, при котором наблюдается устойчивая работа цепочки, возрастает для прототипа до 12.5 дБ, а для заявляемой полезной модели – до 17.6 дБ. Выходные характеристики цепочек при фиксированной длине спиральной замедляющей системы представлены в таблице 1. Электронный КПД (η) усилительной цепочки в целом составляет 52%, технический КПД (η) составляет 63% при коэффициенте усиления (G) всей цепочки 53 дБ.
Таким образом, в ходе проведенных экспериментальных исследований показано достижение заявленного результата: повышение электронного КПД всей усилительной цепочки в целом до значения не менее 50%, а технического КПД – не менее 60%, при сохранении механизма подавления паразитных сигналов.