РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2004, том 49, № 3, с. 343-353
^=ЭЛЕКТРОДИНАМИКА СВЧ =
УДК 621.372.061
ШИРОКОПОЛОСНЫЙ ВЫВОД МОЩНОСТИ ИЗ МНОГОРЕЗОНАТОРНЫХ АКТИВНЫХ СИСТЕМ, РАБОТАЮЩИХ НА ВЫСШИХ ВИДАХ КОЛЕБАНИЙ
© 2004 г. О. В. Геращенко
Поступила в редакцию 24.04.2002 г.
Рассмотрена проблема широкополосного эффективного вывода мощности из произвольной системы нескольких связанных активных резонаторов, работающей на одном из высших видов колебаний. Развит новый подход к конструированию входных, выходных и промежуточных электродинамических систем сверхвысокочастотных усилителей с кратковременным взаимодействием электронов с локализованными электрическими полями. Предложено и изучено простое конструктивное решение, позволяющее повысить эффективность широкополосного ввода и вывода мощности из этих систем, а также эффективность подстройки резонансной частоты. Показано, что минимальный допустимый частотный интервал до ближайшего "мешающего" вида колебаний может быть уменьшен в 5-8 раз без ущерба для эффективности согласования.
введение
В вакуумных приборах сверхвысокой частоты (СВЧ) с локализованным кратковременным взаимодействием электронов с электрическими полями отбор энергии от сгруппированного электронного луча осуществляется в выходных электродинамических системах (ЭС), нагруженных на выходной волноведущий тракт. Поэтому одна из важных проблем СВЧ-электроники - это проблема осуществления связи ЭС с трактом. Особую актуальность эта проблема приобретает в выходных системах, включающих несколько резонаторов, пронизываемых электронными потоками. Подобные системы используются, в частности, для суммирования мощностей нескольких электронных потоков с целью повышения выходной мощности СВЧ-приборов.
Рассмотрим два связанных синхронно настроенных резонатора, каждый из которых пронизывается своим сгруппированным электронным потоком, причем потоки идентичны друг другу. В качестве рабочего вида колебаний выбираем высший противофазный вид. Пусть с выходным волноводом непосредственно связан только один из резонаторов. Очевидно, что положение резонаторов по отношению к нагрузке разное. Вследствие этого, СВЧ-импедансы емкостных зазоров взаимодействия резонаторов в полосе частот отличаются друг от друга. Отличие импедансов и, соответственно, напряжений приводит к уменьшению эффективности отбора энергии от электронных потоков. Отличие импедансов тем больше, чем больше связь с выходным волноводом по отношению к связи между активными резонаторами. Чем больше связь с нагрузкой, тем шире рабочая полоса частот. Чем больше связь между
активными резонаторами, тем больше частотный интервал между синфазным и противофазным видами колебаний. Поэтому в качестве меры отношения связей можно принять отношение величины рабочей полосы частот к частотному интервалу между видами колебаний.
Рассмотрим систему более чем двух связанных активных резонаторов, работающую в простейшем случае на единственном высшем виде колебаний. С трактом непосредственно связан только один резонатор. Такую систему можно характеризовать отношением величины рабочей полосы частот к частотному интервалу между рабочим видом и ближайшим соседним из числа видов колебаний, нагруженных на тракт. По мере увеличения числа связанных активных резонаторов спектр резонансных частот сгущается и частотный интервал от рабочего вида до указанного ближайшего вида уменьшается. Отношение рабочей полосы к этому частотному интервалу возрастает. По мере расширения рабочей полосы частот указанное отношение также возрастает. Как следствие, возрастает отличие импедансов активных резонаторов. Можно устранить отличие импедансов, если связать с выходным волноводом каждый активный резонатор непосредственно. Однако реализовать эту возможность часто затруднительно, особенно при числе активных резонаторов более двух.
СВЧ-усилители развиваются в направлении увеличения рабочей полосы частот и в направлении применения все более сложных многорезона-торных активных систем, поэтому становится понятным интерес к рассматриваемой проблеме вывода мощности. Аналогичная проблема существует в электродинамических системах, предназначен-
ных для ввода усиливаемого сигнала. Асимметрия расположения активных резонаторов по отношению к тракту входного сигнала приводит к неодинаковости напряжений в зазорах различных активных резонаторов в полосе частот.
При изготовлении усилительных клистронов в ЭС как входных и выходных, так и промежуточных, обеспечивающих формирование электронных сгустков, в сантиметровом диапазоне (и более коротковолновых) применяется технологическая подстройка частоты. Необходимость регулировки обусловлена невозможностью точного воспроизведения технологических процессов.
Рассмотрим систему двух связанных активных резонаторов, работающую на высшем виде колебаний. Если элемент регулировки резонансной частоты имеет только один из резонаторов, то частота рабочего вида колебаний связанной системы может быть изменена только изменением парциальной частоты этого резонатора. Предположим, что резонаторы настроены синхронно. При этом условии напряжения рабочего вида колебаний на зазорах обоих резонаторов по модулю равны друг другу. Если парциальная частота регулируемого резонатора будет повышена относительно парциальной частоты другого резонатора, то для высшего рабочего вида колебаний напряжение на зазоре регулируемого резонатора станет по модулю больше, чем напряжение на зазоре другого резонатора. Если такую несинхронно настроенную систему нагрузить на выходной волновод, то среднее значение вещественной части СВЧ-импеданса нагруженной системы, пересчитанного к зазору резонатора с большей парциальной частотой, будет больше, чем аналогичное среднее значение для другого резонатора. Чем больше разность парциальных частот по отношению к частотному интервалу между видами колебаний связанной системы (при синхронной настройке резонаторов), тем больше указанное отличие средних импедансов. Отличие импедансов и, соответственно, напряжений в зазорах резонаторов выходной электродинамической системы, как уже упоминалось, приводит к уменьшению эффективности отбора энергии, а в зазорах промежуточной системы к неодинаковому воздействию на разные электронные потоки, что в конечном итоге приводит к уменьшению эффективности отбора энергии в выходной системе. Увеличение числа связанных активных резонаторов усложняет задачу регулировки. Решить ее можно, если каждый активный резонатор снабдить своим регулировочным элементом и подстройку частоты рабочего вида колебаний осуществлять синхронной регулировкой парциальных частот всех резонаторов. Однако такое решение далеко не всегда осуществимо практически.
В работе ставится и решается задача реализации такой многорезонаторной ЭС, которая обеспечивала бы идентичность импедансных характеристик всех активных резонаторов как при широкополосном вводе-выводе мощности, так и при несинхронной перестройке частоты. В работе предложен способ решения этой задачи для многоре-зонаторных активных систем, работающих на высших видах колебаний. Низшие виды колебаний используются для стабилизации работы высших.
1. предлагаемое решение
Выходная электродинамическая система представлена цепью LCR из сосредоточенных элементов, сгруппированные электронные потоки представлены эквивалентными генераторами тока с внутренними проводимостями. Емкостные зазоры взаимодействия представлены конденсаторами C. Цепь образована несколькими связанными параллельными LC контурами. Эквивалентные генераторы подключаются к зажимам контуров. Такие контуры называются активными, остальные контуры называются пассивными.
Рассмотрим систему двух связанных активных контуров, работающую на противофазном виде колебаний и связанную с нагрузкой R через двух-звенный пассивный фильтр (рис. 1). Импедансы активных контуров в полосе частот А/ сильно отличаются друг от друга (рис. 16). Включим дополнительный пассивный корректирующий контур между срединным разрывом (рис. 2) индуктивности Ll 2 (£1к + L^ = L1 2; L^ = L2к) и нулевой точкой. Теперь отличие импедансов в той же полосе частот существенно меньше, чем в первом случае. Дополнительный контур включается в узле рабочего вида колебаний и поэтому волновое сопротивление рабочего вида не уменьшается.
Практическая реализация дополнительного контура чрезвычайно проста. Пассивные корректирующие контуры могут быть реализованы в виде резонансных стержней круглого либо иного, в частности прямоугольного (рис. 3), сечения.
2. количественная оценка эффективности предлагаемого решения
Рассмотрим линейную, пассивную, физически реализуемую цепь, которая согласует генератор тока I (с внутренней проводимостью Y) с нагрузкой R. Цепь на входных зажимах шунтирована емкостью C. Для такой цепи независимо от ее па-
(а)
ь
1 2
А (А) Ц £ ^
I
Ь3 4
а 3г
а 4х
Ом 120 100 80 60 40 20 0
^2 А К2
я
101п(1/р(ю)), дНеп 35 30 25 20 15 10 5 0
А// %
Рис. 1. Двухконтурная активная система, связанная с нагрузкой Я через двухзвенный пассивный фильтр (а) и ее характеристики (б, в).
а - Эквивалентная схема, параметры цепи: С1 = С2 = 1, С3 = 1.000240, С4 = 0.999967, Я = 106.1, Ь1 = 1.094097, Ь2 =
= 1.083357, Ь3 = 1.017092, Ь4 = 1.007526, Ь1 2 = 26.001, Ь1 3 = 110.359, Ь3 4 = 133.276, У1 = У2 = 0.005, Аю
'раб ]
0.00728,
Траб ~ 0.695, 5макс - 1.808 дБ; б - зависимости вещественных частей импедансов Яе(кривая 1) и Яе22(ю) (кривая 2), генераторы с внутренними проводимостями отключены; в - зависимость 101п(1/р(ю)), генераторы с внутренними про-водимостями подключены.
раметров выполняется неравенство, ограничивающее полосу согласования [1, 2]:
г 1 1 , . 2 п У Р1 С
0
где р1 = 1 - (Рнагр/Рпад) - коэффициент отражения мощности генератора, Рнагр = [^Я]2/2Я - мощность в нагрузке Я, Рпад = Р/8У - мощность, падающая от генератора.
При определенных условиях [1, 2] в нестрогом неравенстве реализуется равенство и достигается максимально возможное произведение полосы на логарифм обратного коэффициента отражения. Рабочим диапазоном частот Аюраб будем называть диапазон, в котором коэффициент отражения не превосходит зад
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.