СПОСОБ СТАБИЛИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ ЛАМПЫ БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ (ЛБВ) ПРИ НАСТРОЙКЕ ПЕРЕДАТЧИКА СВЧ
METHOD OF STABILISING TRAVELLING-WAVE TUBE (TWT) PARAMETERS WHEN TUNING MICROWAVE TRANSMITTER

Изобретение относится к радиолокационной технике и может быть использовано в радиотехнической и авиационной промышленности.
Наиболее близким к заявляемому способу является способ стабилизации параметров волноводных систем в процессе их изготовления (Патент RU №. 2399998, опубликовано 20.09.2010 г., МПК: Н01Р 11/00 (2006/01). Данный способ включает изготовление отдельных деталей и узлов, сборку деталей и узлов в волноводную систему, контроль геометрических размеров волноводной системы, настройку волноводной системы. Причем при изготовлении волноводной системы вводят дополнительный этап - перед настройкой производят термоциклические и механические испытания, при этом волноводная система находится в выключенном состоянии.
С
Вертолетной БРЛС требуется высокая разрешающая способность и незначительные массогабаритные характеристики. Поэтому вертолетные БРЛС работают в восьмимиллиметровом диапазоне длин волн. Применение восьмимиллиметрового диапазона длин волн на вертолетных БРЛС позволяет в режиме маловысотного полета обнаружить провода электропередачи и опасные для полета метеообразования. Вертолетные БРЛС имеют большой уровень вибрационных нагрузок, поэтому передатчик должен быть устойчивым к воздействию механических и климатических факторов группы 2У ГОСТ РВ 20.39.414.1-97. Передатчик должен обеспечивать усиление СВЧ сигнала в восьмимиллиметровом диапазоне длин волн с полосой рабочих частот порядка 2 гГц, низким уровнем собственных шумов. Соизмеримость геометрических размеров элементов и узлов передатчика с длинами волн СВЧ диапазона приводит к существенным изменениям в происходящих физических явлениях и к значительным количественным и качественным изменениям электрических свойств используемых элементов. (Под редакцией A.M. Чернушенко Конструкция СВЧ устройств и экранов, М.: Радио и связь, 1983 г., с.4-8).
На сверхвысокой частоте время пролета электронов между электродами становится сравнимым с периодом усиливаемых колебаний. За время пролета переменное напряжение на электродах успевает заметно измениться. Это приводит к ослаблению плотности электронного потока, резкому падению полезной мощности, коэффициента усиления и КПД. На СВЧ очень сильно проявляется влияние индуктивностей выводов, межэлектродных емкостей, потерь в материале электродов. (Федоров Н.Д. Электронные приборы СВЧ и квантовые приборы. - М.: АТОМИЗДАТ, 1979 г., с.5-9; Вамберский М.В. Передающие устройства СВЧ. - М.: Высшая школа, 1984 г., с.14-111), поэтому в передатчиках СВЧ целесообразно использование лампы бегущей волны (ЛБВ).
С
Лампа бегущей волны по совокупности важнейших параметров, включая полосу пропускания рабочих частот, коэффициент усиления, среднюю мощность, КПД, высокую стабильность частоты и фазы, низкий уровень шумов, значительное ослабление уровня выходного сигнала в паузе между импульсами, прочность и компактность конструкции, превосходят другие виды усилительных устройств СВЧ. Главным преимуществом ЛБВ является возможность получать усиление в широкой полосе рабочих частот. (Кукарин С.В. Электронные СВЧ приборы - М.: Радио и связь, 1981 г., с.64-100; Кацман Ю.А. Приборы СВЧ - М.: Высшая школа, 1983 г., с.196-264; под редакцией Скольника М. Справочник по радиолокации т.3, М.: Советское радио, 1979 г., с.7-127). Поэтому в качестве выходного усилительного каскада передатчика используется малогабаритная импульсная ЛБВ типа О, восьмимиллиметрового диапазона длин волн с динамическим управлением электронным потоком, низким уровнем шума, со спиральной замедляющей системой для получения широкой полосы рабочих частот, устойчивой к воздействию механических и климатических факторов группы 2У ГОСТ РВ 20.39.414.1-97. ЛБВ с такими параметрами является очень дорогостоящим комплектующим элементом передатчика.
Технический результат предлагаемого технического решения направлен на повышение надежности работы передатчика СВЧ (передатчика) восьмимиллиметрового диапазона длин волн с импульсной лампой бегущей волны (ЛБВ) в процессе его изготовления, с использованием дополнительного устройства, включающего эквивалент ЛБВ и прибор контроля.
Технический результат достигается тем, что способ стабилизации параметров лампы бегущей волны (ЛБВ) при настройке передатчика включает изготовление отдельных деталей и узлов, настройку и испытание узлов, сборку деталей и узлов в устройство, настройку собранного устройства. При этом он отличается от прототипа тем, что настройку собранного устройства производят в два этапа. На первом этапе к передатчику без ЛБВ подключают дополнительное устройство, включающее эквивалент ЛБВ и прибор контроля, устанавливают все необходимые режимы для последующего подключения ЛБВ: осуществляют установку электрических режимов, соответствующих индивидуальным значениям ЛБВ, проверку порядка включения и выключения ЛБВ, проверку стабильности питающих значений ЛБВ при изменении входных питающих напряжений передатчика, проверку отсутствия отказов в передатчике, проверку параметров модулирующего импульса для ЛБВ, производят настройку передатчика. На втором этапе отключают дополнительное устройство, подключают выводы ЛБВ к передатчику и производят его дальнейшую настройку, проверку и испытания в объеме предъявительских и приемосдаточных испытаний согласно техническим условиям (ТУ) на передатчик.
Осуществить предлагаемый способ стабилизации параметров лампы бегущей волны (ЛБВ) при настройке передатчика позволяет дополнительное устройство, состоящее из эквивалента ЛБВ и прибора контроля. В эквиваленте ЛБВ резисторы имеют номиналы, соответствующие эквивалентным сопротивлениям выводов ЛБВ, и разъемы для подключения его к прибору контроля и передатчику, а прибор контроля включает приборы для измерения токов и напряжений, соответствующие токам и напряжениям ЛБВ, а также разъемы для подключения к эквиваленту ЛБВ и передатчику, причем устройство выполнено с возможностью установки электрических режимов, соответствующих индивидуальным значениям, указанным в паспорте на ЛБВ, а также: проверки порядка включения и выключения ЛБВ, проверки стабильности питающих напряжений ЛБВ при изменении входных питающих напряжений передатчика, проверки отсутствия отказов в передатчике, которые могли бы привести к отказу ЛБВ, проверки параметров модулирующего импульса для ЛБВ.
Способ стабилизации параметров лампы бегущей волны (ЛБВ) при настройке передатчика позволяет не допустить работу ЛБВ в режиме, не соответствующем ТУ на ЛБВ, так как даже незначительные отклонения от паспортного режима приведут к отказу дорогостоящей ЛБВ при настройке передатчика или при его дальнейшей эксплуатации.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежами (фиг.1- 4), где
фиг.1 - структурная схема передатчика СВЧ;
фиг.2 - схема электрическая принципиальная эквивалента ЛБВ;
фиг.3 - схема электрическая принципиальная прибора контроля;
фиг.4 - схема соединения эквивалента ЛБВ и прибора контроля с передатчиком (без подключения ЛБВ).
Для усиления входного СВЧ сигнала в ЛБВ необходимо, чтобы электронный поток в ЛБВ, созданный электронной пушкой, длительно взаимодействовал с входным электромагнитным полем СВЧ сигнала. Для длительного взаимодействия электронов с электромагнитным полем необходимо соблюдать условие синхронизма:
o
ф
v>v на 5-10%
ф
o
v - фазовая скорость волны; v - начальная скорость электронов.
Выполнение этого условия приводит к очень жестким требованиям при эксплуатации импульсных ЛБВ восьмимиллиметрового диапазона длин волн (Вамберский М.В. Передающие устройства СВЧ - М.: Высшая школа, 1984 г., с.14-111).
Чтобы обеспечить усиление ЛБВ в восьмимиллиметровом диапазоне длин волн требуется выполнить следующие условия:
а) порядок включения и выключения ЛБВ;
б) строгое соответствие электрических режимов индивидуальным значениям, указанным в паспорте на ЛБВ;
в) обеспечение высокой стабильности питающих напряжений;
г) установку индивидуального значения входной мощности.
Порядок включения ЛБВ (соблюдение временных соотношений подачи напряжений на выводы ЛБВ) должен соответствовать требованиям ТУ на ЛБВ.
Питающие напряжения для ЛБВ в передатчике должны быть установлены с высокой точностью (например, напряжение питания анода Ua=Ua ном. ±0,5%, где Ua ном. ~6 кВ). Величины питающих напряжений, входной мощности и другие требования указываются конкретно в паспорте каждой ЛБВ. Несоблюдение вышеуказанных условий приводит к нарушению условий фокусировки электронного пучка и выходу ЛБВ из строя (ОСТ 110348-86; Федоров Н.Д. Электронные приборы СВЧ и квантовые приборы - М.: АТОМИЗДАТ, 1979 г., с.62-78; Минаев М.И. Радиопередающие устройства сверхвысоких частот - Минск, ВЫШЭЙШАЯ ШКОЛА, 1978 г., с.40-93).
Данный способ стабилизации параметров лампы бегущей волны (ЛБВ) при настройке передатчика может быть использован для повышения надежности работы передатчика СВЧ восьмимиллиметрового диапазона длин волн с импульсной лампой бегущей волны (ЛБВ) в процессе его изготовления, используемого, например, в бортовой вертолетной радиолокационной станции (БРЛС).
Способ стабилизации параметров лампы бегущей волны (ЛБВ) при настройке передатчика осуществляют следующим образом:
- изготавливают отдельные детали и узлы;
- производят настройку и испытание узлов;
- производят сборку деталей и узлов в устройство;
- производят настройку собранного устройства (передатчика).
При этом настройку собранного устройства (передатчика) производят в два этапа: на первом этапе (выводы ЛБВ не подключены к передатчику) к передатчику СВЧ подключают дополнительное устройство, включающее эквивалент ЛБВ и прибор контроля, позволяющее установить все необходимые режимы для последующего подключения ЛБВ, а именно: установить электрические режимы строго соответствующие индивидуальным значениям, указанным в паспорте на ЛБВ; проверить порядок включения и выключения ЛБВ; проверить стабильность питающих напряжений ЛБВ при изменении входных питающих напряжений передатчика; проверить отсутствие отказов в передатчике, которые могли бы привести к отказу ЛБВ; проверить параметры модулирующего импульса для ЛБВ. На втором этапе отключают эквивалент ЛБВ, подключают выводы ЛБВ к передатчику СВЧ и производят его дальнейшую настройку.
Для осуществления способа стабилизации параметров лампы бегущей волны (ЛБВ) при настройке передатчика используют дополнительное устройство.
Дополнительное устройство включает эквивалент лампы бегущей волны 21 (Фиг.2) и прибор контроля 22 (Фиг.3).
Эквивалент ЛБВ 21 (Фиг.2) включает две платы с установленными на них резисторами, а также разъемы 26, 27, 28 для подключения к передатчику. В эквиваленте ЛБВ 21 резисторы имеют номиналы, соответствующие эквивалентным сопротивлениям выводов ЛБВ 10. На одной из плат А1 установлены резистор 23 типа С5-47А-16-2 Ом ±5% В и четырнадцать резисторов 24 типа С2-33Н-2.0-220 кОм ±5%. На другой плате установлены двадцать четыре резистора 25 типа С2-33Н-2.0-220 кОм ±5%-А-Д-В. (М.И Кузнецов Основы электротехники, М.: ВЫСШАЯ ШКОЛА, 1970 г. с.24-59).
Прибор контроля 22 (Фиг.3) включает приборы для измерения токов и напряжений, соответствующие токам и напряжениям ЛБВ: амперметр 48, два миллиамперметра 49, 50 и два вольтметра 51, 52, а также разъемы 36, 39, 40 для подключения к эквиваленту ЛБВ 21 и разъемы 31, 32, 55, 34, 37, 42 для подключения к передатчику.
Для осуществления настройки передатчика создают рабочее место, в которое входят необходимые приборы: пульт настройки передатчика, эквивалент ЛБВ, прибор контроля. При настройке передатчика с использованием дополнительного устройства, включающего эквивалент ЛБВ и прибор контроля, с помощью потенциометров из узлов передатчика устанавливают напряжение анода ЛБВ - Ua, напряжение запирания управляющего электрода ЛБВ - Uупр.з., напряжение управляющего электрода ЛБВ - Uупр. и проверяют напряжение ЛБВ - Uкл.изм. Производят изменение входного трехфазного напряжения в заданных пределах и проверяют стабильность вышеуказанных напряжений. Проверяют параметры модулирующего импульса ЛБВ. В приборе контроля используются два вольтметра 51 и 52, так как величины напряжений Uупр.з. и Uупр.отличаются на порядок. Установку напряжения Uупр.з. на розетке 14 передатчика осуществляют с помощью вольтметра 51, при этом вольтметр 52 соединяют с заглушкой 47 прибора контроля 22. Для установки напряжения Uупр. на розетке 14 передатчика: вывод вольтметра 51 отсоединяют от розетки 14 передатчика и соединяют с заглушкой 47 прибора контроля 22, а вывод вольтметра 52 отсоединяют от заглушки 47 прибора контроля 22 и соединяют с розеткой 14 передатчика.
При настройке передатчика с подключенной ЛБВ 10 и прибором контроля 22 контролируют ток накала на соответствие паспортному значению, регулируют напряжение анода Ua в заданных пределах по ТУ на ЛБВ, добиваясь максимальной мощности на выходе передатчика и напряжение управляющего электрода Uупр. в заданных пределах по ТУ на ЛБВ, добиваясь минимальной величины тока анода в заданных пределах по ТУ на ЛБВ. Отключают прибор контроля 22 от передатчика и осуществляют проверку параметров согласно требованиям ТУ на передатчик.
Высоковольтные напряжения Ua и Uкл.изм. на розетках 38, 40 прибора контроля 22 измеряют с помощью вольтметра В7-40 с делителем напряжения высоковольтным (ДНВ). Напряжение коллектора Uкл. рассчитывается по формуле: Uкл.=Ua - Uкл.изм.
Параметры модулирующего импульса измеряют по осциллографу TDS2022 с делителем Tektronix P6015A на розетке 14 передатчика. Входные модулирующие импульсы подают с генератора Agilent 33250A на вход модулятора передатчика. Данные приборы входят в состав рабочего места настройки передатчика (Ю.С. Гаврилов СПРАВОЧНИК по радиоизмерительным приборам, М.: ЭНЕРГИЯ, 1976 г., с.3-58, 246-300). Промышленную применимость предлагаемого способа стабилизации параметров лампы бегущей волны (ЛБВ) при настройке передатчика рассмотрим на примере передатчика СВЧ, входящего в состав бортовой радиолокационной станции (БРЛС) для вертолетов.
В данном случае передатчик (Фиг.1) содержит входной тракт 1, высоковольтный выпрямитель 2, делитель напряжения 3, усилитель постоянного тока 4, коллекторный источник питания 5, анодный источник питания 6, источник питания напряжения накала 7, модулятор 8, выходной тракт 9, ЛБВ 10. При этом в передатчике предусмотрены розетки 11, 12, 13, 14 для подключения и отключения ЛБВ посредством вилок 17, 18, 19, 20; или для подключения и отключения дополнительного устройства посредством вилок 33, 42, 31, 34 (Фиг.4). Розетка 15 и вилка 16 (Фиг.1) служат для измерения тока анода.
Способ повышения надежности передатчика в процессе изготовления включает следующее:
- изготовление отдельных деталей;
- сборку волноводных трактов, узлов, входящих в состав передатчика;
- настройку и проведение приемосдаточных испытаний волноводных трактов и узлов;
- сборку передатчика (без установки ЛБВ).
Согласно предлагаемому техническому решению настройку собранного передатчика СВЧ осуществляют в два этапа.
На первом этапе осуществляют следующее:
- производят настройку входного волноводного тракта с целью установки паспортного значения входной мощности ЛБВ;
- подключают к передатчику эквивалент ЛБВ и прибор контроля (Фиг.4) и контролируют порядок включения и выключения ЛБВ;
- устанавливают паспортные значения питающих напряжений для ЛБВ;
- проверяют стабильность питающих напряжений ЛБВ при изменении входного переменного трехфазного напряжения;
- проверяют параметры модулирующего импульса для управляющего электрода ЛБВ.
- при необходимости возможно проведение механических и климатических испытаний передатчика с эквивалентом ЛБВ.
На втором этапе осуществляют следующее:
- отключают эквивалент ЛБВ от передатчика;
- подключают ЛБВ к передатчику;
- осуществляют настройку передатчика с использованием прибора контроля;
- производят отключение прибора контроля от передатчика;
- осуществляют проверку параметров передатчика согласно требованиям технических условий.
- производят предъявительские и приемосдаточные испытания согласно технических условий на данный передатчик.
Предлагаемый способ стабилизации параметров лампы бегущей волны (ЛБВ) при настройке передатчика позволяет не допустить работу ЛБВ в режиме, не соответствующем ТУ на ЛБВ, так как даже незначительные отклонения от паспортного режима приведут к отказу дорогостоящей ЛБВ или отказу ее при дальнейшей эксплуатации, следовательно, повысить надежность работы передатчика СВЧ. Способ стабилизации параметров лампы бегущей волны (ЛБВ) при настройке передатчика реализован при изготовлении передатчика СВЧ вертолетной БРЛС, получены положительные результаты.