Исследование характеристик фазостабильной лампы с бегущей волной

УДК 621.382

А.Г. Кудряшов, В.П. Кудряшов, Б.К. Сивяков

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ФАЗОСТАБИЛЬНОЙ ЛАМПЫ

С БЕГУЩЕЙ ВОЛНОЙ

На основе серийно выпускаемой спиральной лампы с бегущей волной (ЛБВ) спроектирован и изготовлен фазостабильный прибор. Проведено сопоставление расчетных данных с результатами измерений, обсуждаются причины их расхождения и способы улучшения характеристик прибора.

Фазостабильная ЛБВ, крестатронная секция, фазовая чувствительность A.G. Kudryashov, V.P. Kudryashov, B.K. Sivyakov CHARACTERISTICS OF A PHASESTABLE TRAVELING WAVE TUBE

A new phasestable device was designed and fabricated on the basis of the serial helical traveling wave tube (TWT). The authors provided a comparison between the calculated and experimental data, and assumptions relating the discrepancy and ways for improving the device capabilities.

Phasestable TWT, crestatron mode, phase sensitivity

Создание мощных усилителей с малым уровнем модуляционных шумов для применения в доппле-ровских РЛС является одной из важнейших задач современной радиоэлектроники. Она наиболее актуальна для СВЧ систем, использующих лампы с бегущей волной, которые помимо общеизвестных достоинств [1,2] обладают высокой фазовой чувствительностью. В развитие известных идей [3,4] в работах [5,6] были сформулированы основные требования к проектированию ЛБВ с секцией несинхронного взаимодействия, обеспечивающей резкое уменьшение фазовой чувствительности. Поскольку сегодня нет сложившегося мнения о большей эффективности одного из двух возможных вариантов секций несинхронного взаимодействия: крестатронного или подавления, за основу была выбрана конструкция с использованием крестатронного участка. При этом в качестве главного условия для проектирования «фазостабильной» ЛБВ было не достижение минимальной фазовой чувствительности, а сохранение коэффициента усиления порядка 30 дБ.

Расчет проводился по программам, разработанным в ОАО НПП «Алмаз» [7], изготовление и измерения экспериментального прибора проводилось также в ОАО НПП «Алмаз».

Схематическое изображение пространства взаимодействия базового (серийного) и экспериментального приборов приведено на рис. 1. Для проведения более корректной оценки результатов рассчитывалась также ЛБВ с укороченной входной секцией (и с однородным шагом спирали в ней), обеспечивающая коэффициент усиления ~30 дБ (конструкция также приведена на рис. 1). С целью минимизации воздействия изменений конструкции на энергетические характеристики выходная секция экспериментальной ЛБВ была полностью аналогична выходной секции базового прибора, а во входной были изменены шаг спирали, расположение поглотителя и исключен разрыв в ЗС.

Наиболее сложная задача при проектировании фазостабильной ЛБВ - выбор длины участка несинхронного взаимодействия. На рис. 2 представлены расчетные характеристики такой ЛБВ для двух значений длины крестатронного участка, а также базового прибора и прибора с укороченной входной секцией, которые свидетельствуют о том, что эффект существенного уменьшения фазовой чувствительности наблюдается для обеих рассмотренных длин участка, несмотря на их значительное отличие (~10%), и существует в достаточно большом диапазоне изменения напряжения пучка (~5%). При этом при большей длине крестатронного участка фазовая чувствительность ЛБВ даже изменяет знак. Входной сигнал для всех конструкций соответствовал режиму насыщения выходной мощности при напряжении пучка 12,6 кВ на всех рассмотренных частотах диапазона, что позволяет судить об эффективности каждого варианта. Из рис. 2 видно, что фазостабильная ЛБВ по КПД не уступает ни базовому прибору, ни прибору с меньшим коэффициентом усиления.

Для экспериментальной проверки была выбрана конструкция ЛБВ с меньшей длиной крестатронного участка. В связи с минимальными конструктивными изменениями относительно базового прибора, технология изготовления фазостабильной ЛБВ фактически не отличалась от технологии изготовления серийного прибора. Результаты измерений и расчетов приведены на рис. 3, 4. Их анализ позволяет сделать следующие выводы.

Как в расчете, так и в эксперименте (рис. 3) наблюдается диапазон изменения напряжения пучка, в котором фазовая чувствительность существенно (в несколько раз) меньше, чем в обычной ЛБВ. При этом диапазон меньшей фазовой чувствительности смещен в область более низких напряжений (примерно на 200 В) относительно расчетных, что, по-видимому, связано с погрешностями в расчете дисперсионных характеристик замедляющей системы (сопротивления связи или коэффициента замедления). В остальном результаты расчета фазовых характеристик соответствуют экспериментальным данным.

Поведение КПД экспериментального прибора согласуется с результатами расчетов в меньшей степени. Очевидно, что в первом образце фазостабильной ЛБВ не удалось совместить зону фазовой стабилизации (~12,4 кВ) с напряжениями, соответствующими максимальной эффективности (12,6-12,8 кВ). Этот недостаток легко устранить корректировкой шага спирали крестатронного участка. Обращает на себя внимание тот факт, что КПД фазостабильного прибора заметно выше, чем базового, что, по-видимому, объясняется уменьшением коэффициента усиления, которое в среднем составило 10-12 дБ.

Рис. 1. Схематическое изображение пространства взаимодействия базовой ЛБВ

Рис. 2. Расчетные зависимости КПД

Рис. 3. Зависимости фазы выходного сигнала

Фактически, уменьшение коэффициента усиления является единственным заметным недостатком «фазостабильной» ЛБВ, однако при необходимости его можно легко компенсировать предварительным транзисторным усилителем. При начальном проектировании увеличение коэффициента усиления достигается за счет изменения длины прибора.

Частотный диапазон, в котором наблюдается повышенная фазовая стабильность в рассматриваемом приборе, составил всего 5%, однако следует иметь в виду, что не было предпринято никаких мер по корректировке частотных свойств крестатронной секции. Для того чтобы диапазон стабилизации фазы соответствовал одному напряжению пучка на каждой частоте, достаточно на участке крестатронной секции реализовать аномальную дисперсию в ЗС. Эта технология известна и сегодня широко применяется на практике [8].

Таким образом, приведенные результаты позволяют заключить, что имеются все возможности практической реализации новой разновидности прибора СВЧ - фазостабильной ЛБВ, которая может найти широкое применение, прежде всего, в радиолокационных системах.

Рис. 4. Зависимости КПД, коэффициента усиления

и прибора с укороченной входной секцией

За помощь в проведении расчетов и измерений авторы приносят благодарность Е.М. Ильиной и В.И. Демину.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гилмор-мл. А.С. Лампы с бегущей волной / А.С. Гилмор-мл. М: Техносфера, 2013. 616 с.

2. Михайлов А.Ю., Анализ усиления широкополосного многочастотного сигнала в ЛБВ/ Б.К. Сивяков, Д.Б.Сивяков // Вестник Саратовского государственного технического университета: №1, Саратов: СГТУ, 2009. с. 119-124.

3. Кац А.М. Фазовые характеристики ЛБВ в несинхронных режимах/ А.М. Кац, В.П.Кудряшов, П.И. Суслин //Электронная техника. Сер.1. Электроника СВЧ. 1971. №5. С. 83-91.

4. Патент № 2046442 РФ, МПК6 ШШ5/34. Лампа бегущей волны / В П. Кудряшов, Б.К. Сивяков, И.Б. Яковлева. Заявл. 21.05.1992; опубл. 20.10.1995. Бюл. №29.

5. Кудряшов А.Г. Применение секции крестатронного режима для создания фазостабильных ЛБВ / А.Г. Кудряшов, Б.К. Сивяков // Техническая электродинамика и электроника: сб. науч. тр. Саратов: СГТУ. 2013. С. 33-36.

6. Сивяков Б.К. Фазостабильная ЛБВ / Б.К.Сивяков, А.Г.Кудряшов / АПЭП 2014, Изд-во СГТУ г. Саратов 2014, с. 1, с. 21-24.

7. Журавлева В.Д., Ильина Е.М. и др. Компьютерное моделирование современных ламп бегущей волны различного назначения // Радиотехника. 2001. № 2. С. 56-69.

8. Кац А.М. Сигнал в лампах с бегущей волной. Часть I. ЛБВ О-типа / А.М. Кац, В.П. Кудряшов, Д.И. Трубецков. Саратов. Издательство Саратовского ун-та, 1984. 144 с.

Кудряшов Александр Геннадиевич -

аспирант кафедрыЭТЭ Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А. Кудряшов Валерий Павлович -

доктор технических наук, Открытое акционерное общество «Научно-производственное предприятие «Алмаз», заместитель директора по научной работе

Сивяков Борис Константинович -

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой

Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Alexander G. Kudryashov -

Postgraduate,

Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

Valerii P. Kudryashov -

Dr. Sc., Professor Deputy Director

at OAO Research & Production Enterprise ALMAZmaz

Boris K. Sivyakov -

Dr. Sc., Professor Head of Department,

Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

Статья поступила в редакцию 02.10.14, принята к опубликованию 22.12.14