ЛАМПА БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ ДЛЯ ЛИНЕЙНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ СВЧ МОЩНОСТИ СПУТНИКОВ СВЯЗИ
TRAVELING-WAVE TUBE FOR LINEAR AMPLIFIERS OF COMMUNICATION SATELLITE MICROWAVE POWER

Изобретение относится к электровакуумным приборам СВЧ О-типа, в частности, к лампам бегущей волны (ЛБВ).
Известна ЛБВ, содержащая электронную пушку, замедляющую систему с входом и выходом СВЧ-энергии, магнитную фокусирующую систему и коллектор-рекуператор кинетической энергии электронов. [Справочник по вакуумной электронике. Компоненты и устройства. // Под редакцией Дж. Айхмайера, М. Тамма. Перевод с английского Е.Б. Махияновой под редакцией Н.А. Бушуева. Москва, изд. Техносфера. 2011. С. 39, 40.]. Такая ЛБВ имеет высокий КПД (50-70%) в режиме насыщения выходной мощности, однако нелинейности ее характеристик в этом режиме не позволяют применять такую ЛБВ в усилителях систем связи с модуляцией СВЧ-сигналов, обеспечивающей высокую скорость передачи цифровой информации. Соответствие характеристик такой ЛБВ необходимым требованиям по линейности обеспечивается при эксплуатации ее в этих усилителях в существенно линейном режиме работы - с выходной мощностью на 7-10 дБ меньше мощности насыщения. Это приводит к уменьшению КПД ЛБВ в 3-5 раз. При этом требуемая выходная мощность ЛБВ достигается за счет увеличения мощности электронного потока в 5-10 раз, что приводит к увеличению в 3-8 раз тока электронного потока, соответствующему увеличению амплитуды индукции магнитного поля магнитной фокусирующей системы, увеличению габаритных размеров ЛБВ, увеличению плотности токоотбора с поверхности катода и снижению надежности ЛБВ.
Известна также ЛБВ с пассивным устройством, включенным между областью преобразования кинетической энергии электронного потока в энергию СВЧ волны (замедляющей системой) и коллектором-рекуператором кинетической энергии электронов. [H.G. Kosmahl (NASA) // Electron beam controller. Патент США 3764850, МКИ H01J 23/02. Опубликован 09.10.1973]. В пассивном устройстве уменьшается индукция магнитного поля магнитной фокусирующей системы, при этом происходит увеличение радиуса электронного потока, уменьшение плотности тока электронного потока, частичное преобразование поперечных скоростей электронов в продольные и уменьшение его неламинарности, что способствует улучшению рекуперации энергии электронов.
Недостатки этой ЛБВ состоят в том, что полная энергия электронного потока в пассивном устройстве не увеличивается и соответствие характеристик такой ЛБВ необходимым требованиям по линейности также достигается в существенно линейном режиме работы - с выходной мощностью на 7-10 дБ меньше мощности насыщения.
Наиболее близкой к предлагаемому изобретению является ЛБВ, содержащая электронную пушку, замедляющую систему с входом и выходом СВЧ-энергии, магнитную фокусирующую систему, коллектор-рекуператор кинетической энергии электронов, предназначенная для работы как при односигнальном, так и многосигнальном усилении [Шалаев П.Д., Симонов Д.Л. Результаты экспериментальных исследований амплитудной и фазовой модуляции в двухчастотном режиме работы спиральной ЛБВ с высоким электронным КПД // Саратов: Вестник СГТУ. 2010. №3 (48). Выпуск 3. С. 99-105.], [Шалаев П.Д., Симонов Д.Л. Уменьшение нелинейных искажений сигналов в ЛБВ О-типа в полосе рабочих частот выходных усилителей СВЧ-мощности спутников связи // Радиотехника. 2017. №7. С. 14-18.]. При подаче на вход этой ЛБВ дополнительного СВЧ-сигнала достигается существенное улучшение линейности ее характеристик в режиме работы с высоким электронным КПД. Чтобы этот дополнительный СВЧ-сигнал не нарушал спектр рабочих частот в канале связи, на вход ЛБВ подают дополнительный СВЧ-сигнал с частотой за пределами выделенной для канала связи полосы рабочих частот. Недостатком этой ЛБВ, как установлено в результате исследования ЛБВ-прототипа [Шалаев П.Д. Линеаризация характеристик усилителей СВЧ-мощности на ЛБВ в режимах с высоким КПД с помощью немодулированного дополнительного сигнала и рекуперации энергии СВЧ-электромагнитного поля // Радиотехника. 2018. №8. С. 187-191.], является то, что при существенном улучшении линейности ее характеристик в нелинейном режиме работы с выходной мощностью на 5-7 дБ больше мощности в линейном режиме за счет подачи на ее вход дополнительного СВЧ-сигнала с частотой за пределами выделенной для канала связи полосы рабочих частот, полный КПД ЛБВ не увеличивается по сравнению с линейным режимом ее работы без подачи дополнительного СВЧ-сигнала. Это связано с тем, что часть (до 30%) выходной мощности ЛБВ приходится на выходной СВЧ-сигнал с частотой за пределами выделенной для канала связи полосы частот и не используется, а входит в сумму общих потерь в ЛБВ. То есть до 30% мощности электронного потока дополнительно расходуется на усиление дополнительного СВЧ-сигнала, используемого для линеаризации характеристик ЛБВ (без учета мощности комбинационных составляющих в силу их сравнительной малости).
Задача настоящего изобретения заключается в том, что предлагаемая лампа бегущей волны для линейных усилителей СВЧ мощности спутников связи (ЛБВЛ) должна обеспечивать возможность использования выходной мощности на частоте дополнительного входного СВЧ-сигнала для увеличения КПД.
Техническим результатом настоящего изобретения является увеличение КПД ЛБВЛ в режиме работы с высокими электронным КПД и линейностью характеристик.
Технический результат достигается тем, что лампа бегущей волны содержит электронную пушку, магнитную фокусирующую систему, замедляющую систему с входом и выходом СВЧ-энергии, с пролетным каналом для прохождения электронного потока и коллектор-рекуператор кинетической энергии электронов. Дополнительно, после замедляющей системы с входом и выходом СВЧ-энергии, с пролетным каналом для прохождения электронного потока, перед коллектором-рекуператором кинетической энергии электронов, ЛБВ содержит устройство преобразования в кинетическую энергию электронов электронного потока СВЧ-энергии СВЧ-сигналов в диапазоне рабочих частот устройства, включающих частоту дополнительного сигнала за пределами выделенного для канала связи диапазона рабочих частот и используемого для линеаризации характеристик ЛБВ в режиме работы с высоким электронным КПД. Устройство преобразования состоит из магнитной фокусирующей системы и участка замедляющей системы с входом СВЧ-энергии и пролетным каналом для прохождения электронного потока, причем период этого участка замедляющей системы соответствует, при его рабочем напряжении, режиму взаимодействия в нем электронного потока и электромагнитной волны, проходящих в направлении коллектора-рекуператора кинетической энергии электронов, с увеличением кинетической энергии электронов электронного потока за счет преобразования СВЧ-энергии СВЧ-сигналов с частотой в диапазоне рабочих частот устройства, включая частоту дополнительного сигнала за пределами выделенного для канала связи диапазона рабочих частот и используемого для линеаризации характеристик ЛБВЛ в режиме работы с высоким электронным КПД. Рекуперация полученной дополнительной кинетической энергии электронов электронного потока в коллекторе-рекуператоре позволяет уменьшить потребляемую мощность и увеличить КПД ЛБВЛ.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами:
на Фиг. 1 - представлена ЛБВ-прототип, где:
1 - электронная пушка,
2 - магнитная фокусирующая система,
3 - замедляющая система,
4 - вход СВЧ-энергии,
5 - выход СВЧ-энергии
6 - пролетный канал для прохождения электронного потока,
7 - коллектор-рекуператор кинетической энергии электронов.
На Фиг. 2 - представлена ЛБВЛ, соответствующая предлагаемому изобретению, где:
1 - электронная пушка,
2 - магнитная фокусирующая система,
3 - замедляющая система,
4 - вход СВЧ-энергии,
5 - выход СВЧ-энергии,
6 - пролетный канал для прохождения электронного потока,
7 - коллектор-рекуператор кинетической энергии электронов,
8 - устройство преобразования в кинетическую энергию электронов электронного потока СВЧ-энергии СВЧ-сигналов,
9 - магнитная фокусирующая система,
10 - участок замедляющей системы,
11 - вход СВЧ-энергии,
12 - пролетный канал для прохождения электронного потока.
Лампа бегущей волны для линейных усилителей СВЧ мощности спутников связи содержит электронную пушку (1), магнитную фокусирующую систему (2), замедляющую систему (3) с входом (4) и выходом (5) СВЧ-энергии и пролетным каналом (6) для прохождения электронного потока, коллектор-рекуператор кинетической энергии электронов (7), дополнительно, после замедляющей системы (3) с входом (4) и выходом (5) СВЧ-энергии и пролетным каналом (6) для прохождения электронного потока, перед коллектором-рекуператором кинетической энергии электронов (7), содержит устройство (8) преобразования в кинетическую энергию электронов электронного потока СВЧ-энергии СВЧ-сигналов в диапазоне рабочих частот устройства, включающих частоту дополнительного сигнала в ЛБВЛ за пределами выделенной для канала связи полосы рабочих частот, используемого для линеаризации характеристик ЛБВЛ в режиме работы с высоким электронным КПД, состоящее из магнитной фокусирующей системы (9), участка замедляющей системы (10) с входом СВЧ-энергии (11) и пролетным каналом (12) для прохождения электронного потока, с периодом этого участка замедляющей системы, при его рабочем напряжении, соответствующим режиму взаимодействия в нем электронного потока и электромагнитной волны, проходящих в направлении коллектора-рекуператора кинетической энергии электронов, с увеличением кинетической энергии электронов электронного потока за счет преобразования СВЧ-энергии СВЧ-сигналов с частотой в диапазоне рабочих частот устройства, включая частоту дополнительного сигнала.
Лампа бегущей волны для линейных усилителей СВЧ мощности спутников связи работает следующим образом: электронная пушка (1) создает электронный поток и ускоряет его электроны до скорости Vэп на выходе из электронной пушки, электроны электронного потока из электронной пушки входят в замедляющую систему (3) и двигаются в ее пролетном канале (6) к коллектору-рекуператору кинетической энергии электронов (7) со скоростью Vэу, магнитная фокусирующая система (2) создает магнитное поле, которое удерживает электронный поток во внешних границах меньше границ пролетного канала (6), во вход (4) из внешнего СВЧ тракта подаются входные сигналы ЛБВЛ, включая дополнительный сигнал для улучшения линейности ее характеристик, вход (4) передает входные сигналы ЛБВЛ в замедляющую систему (3), электромагнитные волны входных СВЧ-сигналов распространяются вдоль замедляющей системы (3) в направлении движения электронов электронного потока со скоростью Vсвчу<Vэу близкой к скорости движения электронов электронного потока. При этом происходит модуляция электронного потока по плотности и торможение электронов на участках с большей плотностью в тормозящих фазах электромагнитных волн. В результате торможения электронов их кинетическая энергия преобразуется в энергию электромагнитных волн - происходит увеличение мощности электромагнитных волн входных СВЧ-сигналов (усиление). Усиленные СВЧ-сигналы через выход СВЧ-сигналов (5) передаются в выходной СВЧ-тракт. Причем часть (до 30%) выходной мощности ЛБВЛ приходится на выходной сигнал с частотой дополнительного сигнала за пределами выделенной для канала связи полосы рабочих частот. Но выходной СВЧ-сигнал на частоте дополнительного сигнала не используется для работы канала связи, выделяется из спектра выходных сигналов, подается, при использовании ЛБВ-прототипа, в нагрузку и рассеивается в ней в виде тепла. Часть кинетической энергии электронного потока, оставшаяся после передачи их кинетической энергии усиливаемым СВЧ-сигналам, включая дополнительный сигнал, возвращается в источник электропитания в коллекторе-рекуператоре кинетической энергии электронов (7) при торможении электронов в постоянном электрическом поле его электродов, имеющих потенциалы ниже потенциала замедляющей системы (3). Увеличенная в ЛБВЛ СВЧ-энергия на частоте дополнительного сигнала повышает потери СВЧ-энергии ЛБВЛ, существенно снижает ее КПД за счет дополнительного уменьшения кинетической энергии электронов электронного потока на выходе из замедляющей системы (3) без возврата в ЛБВЛ СВЧ-энергии на частоте дополнительного сигнала.
При использовании предлагаемой в изобретении ЛБВЛ, электроны модулированного по плотности и скорости электронного потока из пролетного канала (6) замедляющей системы (3) входят в пролетный канал (12) участка замедляющей системы (10) устройства (8) и двигаются в пролетном канале (12) к коллектору-рекуператору кинетической энергии электронов (7). Не смотря на различие скоростей электронов электронного потока в пролетном канале (12), на участках электронного потока с большей плотностью электронов их скорости мало отличаются от их средней скорости Vэр. На этом участке модуляция электронного потока по плотности сохраняется и при прохождении электронов в пролетном канале (12) устройства (8).
Магнитная фокусирующая система (9) устройства (8) создает магнитное поле, которое удерживает электронный поток во внешних границах меньше границ пролетного канала (12),
Выделенный в выходном тракте из спектра выходных сигналов, выходной СВЧ-сигнал на частоте дополнительного сигнала, подается на вход СВЧ-энергии (11) устройства (8), и передается через вход СВЧ-энергии (11) в участок замедляющей системы (10). Период этого участка замедляющей системы, при его рабочем напряжении, соответствует режиму взаимодействия в нем электронного потока и электромагнитной волны, проходящих в направлении коллектора-рекуператора (7), с увеличением кинетической энергии электронов электронного потока за счет преобразования СВЧ-энергии СВЧ-сигналов с частотой в диапазоне рабочих частот устройства (8), включая частоту дополнительного сигнала за пределами выделенного для канала связи диапазона рабочих частот и используемого для линеаризации характеристик ЛБВЛ в режиме работы с высоким электронным КПД. Электромагнитная волна выходного СВЧ-сигнала на частоте дополнительного сигнала распространяется вдоль замедляющей системы (10) в направлении движения электронов электронного потока со скоростью Vсвчр>Vэр близкой к скорости движения электронов электронного потока при отрицательных значениях параметра рассинхронизма или, как вариант, Vсвчр<Vэр близкой к скорости движения электронов электронного потока при положительных значениях параметра рассинхронизма, соответствующей режиму взаимодействия электронного потока и электромагнитной волны, проходящих в направлении коллектора-рекуператора (7), с преобразованием энергии СВЧ-волны в кинетическую энергию электронов электронного потока. В результате такого преобразования кинетическая энергия электронов электронного потока в пролетном канале (12) устройства (8) увеличивается и в источник электропитания ЛБВЛ возвращается больше энергии в коллекторе-рекуператоре (7). Такая последовательная рекуперация СВЧ-энергии выходного СВЧ-сигнала на частоте дополнительного сигнала в два этапа: на первом этапе в устройстве (8) СВЧ-энергия преобразуется в кинетическую энергию электронов, на втором этапе в коллекторе-рекуператоре (7) эта кинетическая энергия электронов преобразуется в энергию постоянного тока источника электропитания ЛБВЛ, позволяет существенно (на 4-5% по абсолютной величине) увеличить КПД ЛБВЛ.
При необходимости, в ЛБВЛ, соответствующей предлагаемому изобретению, может рекуперироваться и энергия сигналов других источников СВЧ-сигналов в полосе рабочих частот устройства (8), например, ЛБВ-прототипов.
Источники информации:
1. Справочник по вакуумной электронике. Компоненты и устройства. // Под редакцией Дж. Айхмайера, М. Тамма. Перевод с английского Е.Б. Махияновой под редакцией Н.А. Бушуева. Москва, изд. Техносфера. 2011. С. 39, 40.
2. H.G. Kosmahl (NASA) // Electron beam controller. Патент США 3764850, МКИ H01J 23/02. Опубликован 09.10.1973.
3. Шалаев П.Д., Симонов Д.Л. Результаты экспериментальных исследований амплитудной и фазовой модуляции в двухчастотном режиме работы спиральной ЛБВ с высоким электронным КПД // Саратов: Вестник СГТУ. 2010. №3 (48). Выпуск 3. С. 99-105.
4. Шалаев П.Д., Симонов Д.Л. Уменьшение нелинейных искажений сигналов в ЛБВ О-типа в полосе рабочих частот выходных усилителей СВЧ-мощности спутников связи // Радиотехника. 2017. №7. С. 14-18.
5. Шалаев П.Д. Линеаризация характеристик усилителей СВЧ-мощности на ЛБВ в режимах с высоким КПД с помощью немодулированного дополнительного сигнала и рекуперации энергии СВЧ-электромагнитного поля // Радиотехника. 2018. №8. С. 187-191.