РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2015, том 60, № 8, с. 851-854
ЭЛЕКТРОНИКА СВЧ ^
УДК 621.385.632.12;537.874.7
ПРИМЕНЕНИЕ ПОГЛОТИТЕЛЕЙ С ЧАСТОТНО-ЗАВИСИМЫМ ЗАТУХАНИЕМ В МОЩНЫХ ШИРОКОПОЛОСНЫХ ЛАМПАХ БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ © 2015 г. А. Б. Данилов, Е. М. Ильина
Открытое акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Алмаз", Российская Федерация, 410033 Саратов, ул. Панфилова, 1 E-mail: ilinaem@almaz-rpe.ru Поступила в редакцию 21.02.2014 г.
С целью расширения рабочей полосы частот в длинноволновую сторону мощных широкополосных спиральных ламп бегущей волны (ЛБВ) предлагается применять частотно-зависимые поглотители, у которых затухание на нижней частоте значительно меньше, чем на верхней. Как показали расчеты, проведенные на примере ЛБВ с рабочим диапазоном частот более двух октав, за счет этого выходная мощность на нижних частотах возрастает, а уровень второй гармоники снижается.
DOI: 10.7868/S003384941504004X
ВВЕДЕНИЕ
Увеличение рабочей полосы частот является одной из приоритетных задач совершенствования характеристик спиральных ламп бегущей волны (ЛБВ). Проблема получения дисперсионной характеристики, обеспечивающей синхронизм замедленной ВЧ-волны и электронного пучка в очень широкой полосе частот, успешно решена применением конструкций с продольно проводящими ребрами на экране. Этому посвящено множество работ (см., например, [1]). Расширение рабочей полосы в коротковолновую область ограничено, прежде всего, падением сопротивления связи. Расширению рабочей полосы в сторону длинных волн препятствует уменьшение электрической длины. В обоих случаях падает коэффициент усиления, снижается КПД, а на длинноволновом конце еще и возрастает уровень второй гармоники. Так, при попытке расширения рабочей полосы частот ЛБВ от 6... 18 ГГц до 4... 18 ГГц уровень второй гармоники обычно возрастает от —5...—3 дБ до 0...+3 дБ.
Применение частотно-зависимого поглотителя могло бы частично скомпенсировать уменьшение электрической длины ЛБВ на длинноволновом краю рабочего диапазона. Можно добиться такого эффекта, когда величина затухания в поглотителе на частотах, где у ЛБВ наибольшее усиление, достаточна для осуществления развязки входа и выхода и вместе с тем величина затухания на низких частотах позволяет обеспечить усиление под поглотителем.
В ряде работ строится теория ЛБВ на основе спиральной замедляющей системы (ЗС) с поглощающим покрытием (см. обзор [2] и библиографию к нему). Были построены модели, позволявшие с определенной точностью рассчитывать различные конструкции спиральных ЗС с поглотителем [3—8]. В настоящее время, используя программы типа ИБ88 [9], можно точно рассчитывать параметры любой конструкции. Одновременно с созданием и совершенствованием математических моделей расчета шел процесс совершенствования как конструкции и технологии изготовления самой спиральной ЗС, так и конструкций и способов нанесения локального поглотителя [10]. В общем случае затухание в поглотителе падает с уменьшением частоты. Ряд работ был направлен на уменьшение перепада вносимого локальным поглотителем затухания [7, 8].
В настоящее время конструкция ЗС ЛБВ спирального типа представляет собой металлическую спираль, закрепленную посредством трех диэлектрических стержней в металлической трубке. Диэлектрические стержни в поперечном сечении обычно имеют форму круга, прямоугольника или трапеции. Локальный поглотитель реализуется нанесением резистивной пленки на керамические стержни. Обычно это углерод, нанесенный пиролитическим способом по всему периметру стержня. Такую конструкцию отличают относительная простота изготовления и хорошие частотные свойства. Перепад затухания в октавной полосе частот обычно не превышает 10%.
851
6*
852
ДАНИЛОВ, ИЛЬИНА
7Т~Г
| Нормальная дисперсия
1 к, 1
(а)
Ч_к±.
Аномальная дисперсия
Зазор
к5
\
Зазор g2
(б)
Аномальная дисперсия
к2
Аномальная дисперсия Зазор
к3\
Зазор g2
Рис. 1. Схематическое изображение двух конструкций пространства взаимодействия: а — конструкция 1 (с нормальной и аномальной дисперсией); б — конструкция 2 (с аномальной дисперсией).
Тем не менее, руководствуясь изложенными выше соображениями, авторы сочли необходимым исследовать возможность применения локального поглотителя с сильной частотной зависимостью вносимого затухания для улучшения частотных свойств широкополосных спиральных ЛБВ.
В данной работе предпринято исследование затухания, вносимого поглотителями в ЛБВ, на основе численных расчетов по программе [11]. Расчеты проводятся на примере сверхширокополосной ЛБВ [12]. Исследуются частотные зависимости затухания, вносимого поглотителями, при двух способах их размещения на стержнях: вдоль торцевой стороны, обращенной к спирали, и по периметру стержня. Рассчитываются выходные характеристики двух разновидностей этой ЛБВ в диапазоне 4... 18 ГГц: с нормальной дисперсией и скачком шага во входной секции, и с аномальной дисперсией в выходной, а также с полностью аномальной дисперсией вдоль всей длины прибора. Аномальная дисперсия реализуется путем применения экрана с ребрами.
1. РЕЗУЛЬТАТЫ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
Исследование проводилось на примере 100-ваттной спиральной ЛБВ, описанной в работе [12]. По программе [11] численно рассчитывались частотные зависимости вносимого поглотителями затухания. Они были найдены для двух конструкций пространства взаимодействия (рис. 1а, 1б), отличающихся применением нормальной или аномальной дисперсий во входной секции. Назо-
вем их конструкциями 1 и 2 соответственно. Выходной поглотитель в них одинаков, а входных поглотителей два в секции с нормальной дисперсией (поскольку там вводился скачок шага) и один — с аномальной. Были рассчитаны значения полного затухания поглотителей при нанесении их по периметру или по торцевой стороне стержней, обращенной к спирали (рис. 2). При этом для каждого из поглотителей подбиралась такая величина поверхностного сопротивления, чтобы на частоте 12 ГГц вносимые затухания были одинаковы. Как видно из рис. 2, частотные зависимости затухания поглотителей, нанесенных по торцу, намного круче, чем поглотителей, нанесенных по периметру. Так, затухание, вносимое выходным поглотителем при нанесении его по торцу, уменьшается на частоте 4 ГГц по сравнению с затуханием на частоте 12 ГГц в 2.2 раза, а при нанесении по периметру — всего в 1.26 раза (см. рис. 2). Примерно такие же отличия величин затухания на этих частотах получаются для входных поглотителей.
Найденные значения затухания были использованы при расчете выходных характеристик двух упомянутых конструкций ЛБВ — 1 и 2. Причем в каждой из них рассматривались поглотители, нанесенные по периметру или по торцу стержней (назовем их исходной и модифицированной конструкциями соответственно). Расчеты проводились по программе одномерной нелинейной модели ЛБВ [11]. Отметим, что изначально приборы были предназначены для работы в диапазоне 6... 18 ГГц. Расчет был проведен в расширенном
к
3
к
6
к
2
к
к
к
4
ПРИМЕНЕНИЕ ПОГЛОТИТЕЛЕН С ЧАСТОТНО-ЗАВИСИМЫМ ЗАТУХАНИЕМ
853
(а)
Ь, дБ 45
40
35
30
25
20
15
10
10
12
(б)
14 16 /, ГГц
10
12
14 16 /, ГГц
Р Вт
вых> ±-'±
160
140
120
100
80
60 4
Ку, дБ
50 45 40 35 30 25 20 15
(а)
10 12 (б)
4
14 16 /, ГГц
10
12
14 16 /, ГГц
4
6
8
6
8
6
6
4
8
4
8
Рис. 2. Частотные зависимости полного затухания поглотителей при нанесении их по торцу (сплошные кривые) и по периметру (штриховые кривые) диэлектрических стержней для конструкции 1 (а) и конструкции 2 (б): кривые 1, 2 — для выходного поглотителя; кривые 3, 4 — для второго входного поглотителя конструкции 1; кривые 5, 6 — для первого входного поглотителя конструкции 1; кривые 7, 8 — для входного поглотителя конструкции 2.
диапазоне 4.. Л8 ГГц. Расчетные параметры на частоте 4 ГГц приведены в таблице.
Из приведенных в таблице результатов следует, что модифицированные конструкции 1 и 2 да-
Рис. 3. Зависимость выходной мощности (а) и коэффициента усиления (б) от частоты при нанесении поглотителей по торцу (сплошные кривые) и по периметру (штриховые кривые) диэлектрических стержней: кривые 1, 2 —для конструкции 2; кривые 3, 4 — для конструкции 1.
ют более высокие значения выходных параметров (КПД, Ку и Рвых), чем исходные, и более низкий уровень второй гармоники на выходе.
Из анализа выходных частотных характеристик (рис. 3) следует, что то же самое имеет место и на других частотах в интервале 4...6 ГГц. На верхних же частотах рассматриваемого диапазона
Расчетные параметры на частоте 4 ГГц для различных конструкций
Конструкция КПД Пе, % Ку, дБ Р2/Р1, дБ Р Вт вых
Исходная 1 5.7 18.6 + 1.64 77.2
Исходная 2 5.7 19.7 +0.36 76.5
Модифицированная 1 7.7 23.4 -0.08 108.8
Модифицированная 2 7.6 23.1 -0.28 101.4
854
ДАНИЛОB, ИЛЬИНА
Рис. 4. Зависимость уровня второй гармоники от частоты: кривые 1, 2 — для конструкции 2; кривые 3, 4 — для конструкции 1.
выходная мощность и коэффициент усиления практически не изменяются.
Таким образом, расчеты, проведенные с учетом частотно-зависимого поглотителя, показали, что при использовании такого поглотителя рабочий диапазон прибора может быть расширен от 6... 18 до 4. ..18 ГГц.
2. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Из приведенных результатов следует, что предложенный метод расширения рабочего диапазона частот путем применения частотно-зависимого поглотителя является эффективным средством улучшения выходных параметров на длинноволновом краю диапазона. Конкретный способ его реализации, состоящий, в частности, в нанесении поглощающей пленки только на торцевую сторону керамических стержней, достаточно прост в исполнении.
Следует отметить, что конструкции ЛБВ не оптимизировались по выходным параметрам. Был изменен только тип поглотителя. Но даже это дало положительный результат. Следует предположить, что, дополнительно оптимизируя параметры пространства взаимодействия, при использовании поглотителя с сильной частотной зависимостью затухания можно добиться дальнейшего улучшения параметров.
Дополнительного исследования требует также определение необходимого оптимального перепада в диапазоне частот вели
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.