РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2011, том 56, № 4, с. 439-453
ЭЛЕКТРОНИКА СВЧ
УДК 621.385.6
КОРРЕКЦИЯ ДИСПЕРСИОННОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ СПИРАЛЬНОЙ ЗАМЕДЛЯЮЩЕЙ СИСТЕМЫ В ЛАМПАХ С БЕГУЩЕЙ ВОЛНОЙ
© 2011 г. Ю. Н. Пчельников
Поступила в редакцию 06.10.2010 г.
На основе физических представлений об особенностях распределения поля замедленной волны в спиральной замедляющей системе лампы с бегущей волной проанализированы различные способы управления величиной замедления и наклоном дисперсионной характеристики. Рассмотрено влияние диэлектрических опор и корректирующих устройств, размещаемых снаружи спирали. Наряду с уже известными методами коррекции дисперсии с помощью диэлектрического экрана и продольно-проводящих элементов, приводящих к ослаблению взаимодействия с электронным потоком, предложены и проанализированы новые методы, обеспечивающие как эффективное взаимодействие с электронами, так и возможность работы без самовозбуждения на обратной волне при более высоких, чем в случае обычной спирали напряжениях. С помощью приближенного анализа на базе метода эквивалентных линий показана возможность уменьшения наклона дисперсионной характеристики спирали с помощью кольцевых опор. Рассмотрены конструктивные решения, реализующие новые способы коррекции. Частично отражена история работ над сверхширокополосными ЛБВ, в том числе над производившимися в СССР лампами с центробежной электростатической фокусировкой, фактическая полоса усиления которых достигает трех октав.
ВВЕДЕНИЕ
Уже первый макет ЛБВ, созданный и продемонстрированный Р. Компфнером в 1943 г. [1], выгодно отличался от клистрона усилением в широкой полосе частот. Широкая полоса обеспечивалась применением спиральной замедляющей системы (ЗС), которая имеет значительно меньшую по сравнению с другими ЗС зависимость замедления волны от частоты сигнала (т.е. обладает значително меньшей дисперсией). Относительно малый наклон дисперсионной характеристики (ДХ) обеспечивает широкий диапазон частот усиления, что делает спиральные ЛБВ незаменимыми во многих областях при-мениения, в частности для космической связи.
В ЛБВ, разрабатывавшихся в 50—60-х годах ХХв., спираль закреплялась либо в диэлектрических опорах, либо непосредственно в стеклянной трубке, являвшейся частью вакуумного баллона лампы. В первом случае влияние опор на замедление волны было существенно меньшим, чем во втором, особенно когда в качестве опор использовались кварцевые трубки (относительная диэлектрическая проницаемость кварца равна четырем). При этом вносимые кварцевыми опорами потери были ничтожны по сравнению с потерями в стекле. Тем не менее на относительно низких частотах, вплоть до 3...4 ГГц, "игольчатые" ЛБВ со спиралью в стеклянной трубке находили широкое применение как в СССР, так и за рубежом. Независимо от конкретной конструкции спираль в опорах или трубке размещалась по оси металлического цилиндра с установленными в нем вводом и выводом сигнала. Играя роль экранного проводника ЗС, металлический
цилиндр обеспечивал также и механическую прочность всего устройства.
Рабочий диапазон первых ЛБВ в большей степени определялся не дисперсионными свойствами спирали, а полосой устройств ввода и вывода усиливаемого сигнала (согласующих устройств). По мере улучшения параметров этих устройств стало проявляться ограничение полосы усиления вызванное изменением фазовой скорости волны при изменении частоты. Кроме того, стала проявляться и зависимость от частоты коэффициента связи Кс, характеризующего эффективность взаимодействия волны с электронным потоком (ЭП). Действительно, на относительно низких частотах большая часть поля волны сосредоточена снаружи спирали, а на коротковолновом краю диапазона поле прижимается к виткам спирали, уменьшаясь на оси, т.е. в ЭП.
Отметим, что исследования по расширению полосы усиления спиральных ЛБВ и их разработка, проводившиеся одновременно на Западе и в СССР, отражают проходившее в те годы состязание между двумя политическими системами в создании и совершенствовании СВЧ-приборов. На стороне западных разработчиков был большой задел в области СВЧ-электроники, появившийся во время Второй мировой войны, а на стороне советских инженеров и ученых — созданные перед войной СВЧ-школы в Москве, Ленинграде, Горьком, Киеве, Харькове и других городах, а также отлично организованная система информации как по открытым, так и закрытым каналам. В результате по ряду направлений, в том числе по расширению полосы усиления
ЛБВ, советские ученые и инженеры значительно опережали своих западных конкурентов.
Уже в конце 50-х были разработаны игольчатые ЛБВ с центробежной электростатической фокусировкой (ЦЭФ). Хотя в период их разработки требуемые полосы усиления не превышали одной октавы, фактическая полоса усиления этих ламп превышала две октавы. Решающую роль в этом и целом ряде других достижений сыграл тот факт, что практически все непосредственные разработчики новых ЛБВ в СССР совмещали как теоретические, так и экспериментальные исследования. Так, хотя основы линейной теории ЛБВ были заложены Дж. Пирсом [2], линейная теория спиральных ЛБВ была создана в достаточно полном объеме уже в конце 40-х годов под руководством Л.Н. Лошакова, возглавлявшего коллектив разработчиков первой отечественной ЛБВ [3]. К этому же времени относится изобретение и разработка в этом же коллективе лампы обратной волны (ЛОВ) [4], а также и теоретические работы по взаимодействию ЭП с обратными пространственными гармониками [5]. В достаточно полном объеме линейная теория ЛБВ была изложена в монографии [6], а в более общем виде, включая нелинейную теорию, несколько позже Л.А. Вайнштейном и В.А. Солнцевым в лекциях по СВЧ-электронике [7].
1. ВЛИЯНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ОПОР
Как отмечалось выше, спираль устанавливается либо непосредственно в стеклянную трубку баллона, либо между опорами из термостойкого диэлектрика. И в том и другом случае наличие прилегающего к спирали диэлектрика вызывает увеличение замедления и изменение наклона ДХ. Уже в начале 50-х годов проводились исследования влияния диэлектрических опор на ДХ-спирали. Так, в работе
1
А.С. Тагера и В.А. Солнцева [8] был описан достаточно корректный способ учета влияния диэлектрических опор с помощью эквивалентной диэлектрической трубки, находящейся снаружи спирали. Однако в те годы проблема уменьшения наклона ДХ-спирали не была столь актуальной как позднее, в 60—70-е гг., и основной задачей проводившихся исследований был расчет изменения замедления и сопротивления связи, вызванного опорами и экраном.
Благодаря существенной концентрации электромагнитного поля около витков спирали наибольшее влияние на замедление и связь с ЭП оказывают участки опор, непосредственно прилегающие к спирали. Хотя форма поперечного сечения опор довольно заметно влияет на наклон ДХ, основное влияние оказывает прилегающий к спирали
1 Названная статья опубликована в данном номере журнала. — Примеч. ред.
слой диэлектрика. При этом опоры должны обеспечивать необходимый отвода тепла от спирали. И несмотря на то что публикации, посвященные оптимизации формы опор, появлялись до конца 90-х [9], простое изменение конфигурации опор при приемлемой диэлектрической нагрузке на спираль к существенному расширению полосы усиления не приводит.
Ограниченное расширение рабочего диапазона — полосу частот, немного превышающую октаву с перепадом 3 дБ — удалось получить в игольчатых ЛБВ со сжатой по трем образующим трубкой, в которой закреплена спираль [10]. На рис. 1 представлены результаты, полученные для спирали 3 в двух разных трубках: цилиндрической 4 и трехгранной 5. Благодаря изменению концентрации поля около спирали при изменении частоты влияние трубки оказывается сильнее на низкокочастотном краю рабочего диапазона, что и приводит к коррекции ДХ. Однако это корректирующее действие практически прекращается, как только поле проникает достаточно далеко за пределы трубки. Эквивалентной моделью такого крепления спирали может служить слоистая трубка с увеличивающейся наружу диэлектрической проницаемостью.
Цилиндрическая форма диэлектрических опор, при которой прилегание к спирали осуществляется лишь по образующим спирали и опоры, приводит к незначительному уменьшению наклона ДХ в ограниченной полосе частот. Пирамидальные и пластинчатые опоры в основном лишь увеличивают замедление.
Уменьшение дисперсии в ограниченной полосе частот при одновременном уменьшении диэлектрической нагрузки на спираль достигается также при наличии в опорах поперечных канавок (рис. 2а) или металлических прокладок (рис. 2б). Предложенные в СССР в начале 60-х годов, эти решения не нашли практической реализации вследствие сложности изготовления таких опор. В США близкие к упомянутым способам крепления спирали были запатентованы на несколько лет позже [12, 13].
Как было показано в упоминавшейся выше работе [8], практически полное отсутствие дисперсии, вплоть до получения аномальной дисперсии, обеспечивает диэлектрическая трубка, установленная снаружи спирали с зазором, т.е. казалось бы далекое от практической реализации решение. Однако именно такое по физике, но более сложное по реализации решение было использовано в упоминавшихся выше лампах с ЦЭФ.
2. СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫЕ ЛБВ С ЦЭФ
В середине 50-х и начале 60-х годов была разработана серия игольчатых ЛБВ малой и средней мощности с ЦЭФ. Этот тип фокусировки ЭП, не требующий применения внешней фокусирующей
Усиление, дБ 36
32
28
24
20
16
—0-V
2
/ 1 \
3
5 4
12
1.2 1.6 2.0 2.4 2.8 3.2 3.6 4.0
/, ГГц
Рис. 1. Зависимости усиления от частоты, измеренные на макетах ЛБВ с одной и той же спиралью, но с разной конфигурацией трубки баллона; 1 — в круглой трубке, 2 — в трехгранной трубке.
(а)
(б)
Рис. 2. Спираль 1, закрепленная в диэлектрических опорах 2: а — опоры с канавками 3, б — между опорами и спиралью установлены металлические прокладки 4.
3
2
системы, был предложен Л.К. Харрисом [13] и в те же годы реализован З.С. Черновым с помощью предложенной им пушки со спиральными электродами [14]. В соответствии с формой электродов пушки, первые лампы с ЦЭФ были н
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.