РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2004, том 49, № 8, с. 1006-1011
ЭЛЕКТРОНИКА ^^^^^^^^^^^^^^
свч
УДК 621.385
УМЕНЬШЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ШУМА В МОЩНЫХ ШИРОКОПОЛОСНЫХ ЛАМПАХ БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ
СО СХОДЯЩИМСЯ ПУЧКОМ
© 2004 г. А. Б. Данилов, С. П. Морев, А. Д. Рафалович, В. И. Роговин
Поступила в редакцию 21.01.2002 г.
Показана возможность уменьшения шумов в лампе бегущей волны (ЛБВ) за счет выбора параметров электронно-оптической системы, формирующей сходящийся аксиально-симметричный пучок с учетом разброса поперечных составляющих скоростей электронов. Представлены результаты разработок широкополосных ЛБВ с 100-ваттным уровнем выходной мощности, в которых коэффициент шума уменьшен с помощью применения для расчетов параметров усилителей модели пучка с ненулевым фазовым объемом.
ВВЕДЕНИЕ
В связи с возрастающими требованиями, предъявляемыми к современным усилителям сверхвысокой частоты (СВЧ) с протяженным электронным потоком (лампы бегущей волны (ЛБВ), клистроны), возникла необходимость обеспечения низких значений коэффициента шума в усилителях средней и большой мощности, использующих электронные пушки со сходящимся аксиально-симметричным потоком.
Для ЛБВ с малыми значениями токов пучка были разработаны конструкции электронно-оптических систем (ЭОС) с прямоточным электронным пучком и пространства взаимодействия, в которых за счет тщательного выбора параметров усилителя коэффициент шума достигал предельно низких величин, рассчитанных теоретически [1, 2]. В работах [3—4] показано, что для широкополосных ЛБВ средней и большой мощности подавление собственных шумов может быть эффективным в конструкциях пространства взаимодействия с неоднородностями замедляющей системы (ЗС). Предложенное в [5] решение задачи о распространении флуктуации тока и скорости вдоль пучка с учетом поперечного разброса скоростей электронов позволило определить минимально достижимый коэффициент шума ЛБВ с ЭОС, формирующей сходящийся аксиально-симметричный поток.
Данная работа посвящена рассмотрению возможности уменьшения шумов широкополосных ЛБВ средней и большой мощности за счет выбора параметров ЭОС, использующих электронные пушки со сходящимся потоком.
1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Основной причиной увеличения минимального коэффициента шума в ЛБВ с электронной
пушкой со сходящимся пучком, рассчитанной как трансформатор шумовых параметров, обеспечивающий оптимальное согласование волнового сопротивления на катоде с волновым сопротивлением на входе в область взаимодействия, является повышение "поперечной" температуры пучка [5]. При идеальном согласовании волновых сопротивлений и неизменности в области взаимодействия радиуса пучка Яп минимальный коэффициент шума ЛБВ ^мин связан с температурой на катоде Тк и диаметром катода Як формулой
я2 Т
Рмин = 1 + 5.2974^ -к -к, Яп Т о
(1)
где Т0 - температура окружающей среды. Значение равновесного радиуса пучка Яп определяется в соответствии с многоскоростной моделью пучка [6] первеансом пучка Р, напряжением и, амплитудой магнитного поля Ба, а также величиной разброса поперечных скоростей иъ которая приводит к увеличению радиуса пучка, и равно
„2 2 I 1
Яп = ап\ 2 +
(2)
+ 2а1 + 4
Бк
2 (Э 4+4 пе-
ТТп Ы Як
, 1(Бй/,Д) (ап) иР(а
где ап - бриллюэновский радиус пучка, равный
72 ри
ап =
3/2 ,
2
(3)
ПЕоП" 2( Ба/Т2)
Основным значимым следствием формулы (1), помимо прямой зависимости минимального коэффициента шума от температуры катода, указанной еще Пирсом [1], является зависимость минимального коэффициента шума от компрессии пучка по площади. Так, согласно (1), минимальный коэффи-
Яп, мм 76 5 4 3 2 1 0
1.0
(а)
6
8
10
12
Продольная координата, мм (б)
0 20 40 60 80 100 120 Продольная координата, мм
140
В/Ва 1
0.8
(В)
3
/зс, %
-1.6 -1.2 -0.8 0.4 0
0 2 4
^кан В/Ва
10
12 Z
/зс, %
И.6 1.2 0.8 0.4 0
02
4
6
8
10
12 Z
Рис. 1. Формирование пучка в электронной пушке (а) и его транспортировка (б-г) в области взаимодействия в магнитном поле для ЛБВ № 1: а - распределение потенциала и траектории пучка в области пушки; U/Ua = 0.001 (1), 0.05 (2), 0.01 (3), 0.1 (4), 0.3 (5), 0.5 (6), 0.7 (7), 0.8 (8), 0.9 (9), 0.99 (10), 1.025 (11) и 1.05 (12). б - огибающие многоскоростного потока в магнитном поле (3) в отсутствие входного сигнала, цифры на кривых - содержание заданной доли тока; в -расчет изменения границы потока (1) и величина оседания тока (2) на ЗС в динамическом режиме на нижней границе частотного диапазона; г - граница потока (1) и величина оседания тока (2) на ЗС в том же режиме при Ba = 0.17 Тл.
0
6
8
циент шума при неизменной температуре катода может быть уменьшен за счет уменьшения диаметра катода или за счет увеличения диаметра пучка. Пульсации пучка, возникающие из-за изменения магнитного поля или диаметра катода электронной пушки и связанные с нарушением условий согласо-
вания пучка с магнитным полем, минимизировались на основе расчетов ЭОС с использованием подхода, изложенного в работе [7]. В области взаимодействия расчеты изменения диаметра пучка, обусловленные взаимодействием с усиливаемым полезным сигналом, проводились с помощью модели [8]. Па-
Таблица 1. Параметры ЛБВ
Образец ЛБВ Полоса, % Параметр усиления (С) Параметр пространственного заряда (д) Параметр потерь (d) Параметр (УеЭ) Электронный КПД, % Усиление, дБ
1 2 40 77 0.071-0.058 0.079-0.039 0.905-1.224 0.78-2.24 0.057-0.069 0.050-0.094 1.08-1.41 0.84-1.9 15.5-4.7 8.6-8.7 33-34.7 25.8-31.3
Таблица 2. Параметры ЭОС
Образец ЛБВ 2RK, мм ^кан мм Потенциал ЗС, В Ток пучка, А Ba, Тл Период МПФС, мм
1 2 4.5 4.5 1.8 1.4 6300 7000 0.18 0.21 0.23 0.24 10 10
раметры пространства взаимодействия, обеспечивающие минимальное усиление шумов, выбирались с учетом рекомендаций работ [3-4].
2. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
В качестве объектов исследования были использованы две ЛБВ, основные безразмерные ВЧ-параметры которых приведены в табл. 1. Па-
раметры, характеризующие ЭОС, приведены в табл. 2, обеспечение минимальных значений амплитуд магнитного поля, необходимых для фокусировки пучка полем магнитной периодической фокусирующей системы (МПФС), достигнуто за счет применения ЭОС, полностью экранированных от магнитного поля.
Расчеты пучка в областях электронной пушки и пространства взаимодействия в отсутствие входного сигнала (рис. 1а, б) для ЛБВ № 1, а также в режи-
N
7 6 5 4 3 2 1 0
II
ч ь
0.01 0.05 0.09 0.13 0.17
0.7 0.8 0.9
Sm, мВт
Рис. 2. Зависимость количества приборов N с интегральной мощностью шума £ш от уровня магнитного поля Ва = 0.17 (I) и 0.23 Тл (II) в регулярной части МПФС для ЛБВ < 1.
I
Рис. 3. Формирование пучка в электронной пушке (а) и его транспортировка (б-д) в области взаимодействия в магнитном поле для ЛБВ № 2: а - распределение потенциала и траектории пучка в области пушки; и/иа = 0.001 (1), 0.01 (2), 0.1 (3), 0.3 (4), 0.5 (5), 0.6 (6), 0.7 (7), 0.8 (8), 0.9 (9) и 0.99 (10). б - огибающие многоскоростного потока в магнитном поле (3) в отсутствие входного сигнала, цифры на кривых - содержание заданной доли тока; в - расчет изменения границы потока (1) и величина оседания тока (2) на ЗС в динамическом режиме на нижнем краю частотного диапазона; г - изменение границы потока (1), сформированного электронной пушкой с диаметром катода 2Як = 2.8 мм в магнитном поле с амплитудой Ва = 0.205 Тл, и величина оседания тока (2) на ЗС в динамическом режиме на нижнем краю частотного диапазона; д - граница потока (1) и величина оседания тока (2) на ЗС в динамическом режиме на нижнем краю частотного диапазона в увеличивающемся в выходной секции пространства взаимодействия в магнитном поле (3).
Яп, мм (а)
5-1
Продольная координата, мм
«/«а, Шп (б)
Продольная координата, мм
Я^кан, В/«а 1зс %
ме насыщения на длинноволновом краю диапазона (рис. 1в), на котором динамическая расфокусировка максимальна, позволили выбрать параметры ЭОС, обеспечивающие транспортировку электронного потока в ЛБВ с минимальными пульсациями. Экспериментальные величины тока, оседающего на ЗС в статическом режиме, составили 0.7.. .1.0 мА, а на нижнем краю рабочего диапазона в режиме насыщения не более 1.9.3.0 мА на серии приборов. Типичные значения коэффициента шума, полученные в результате экспериментальных измерений ЛБВ, составили 39.43 дБ. Дальнейшее уменьшение коэффициента шума на 3.6 дБ достигалось весьма трудоемким процессом юстировки приборов, при котором зачастую приходилось частично ухудшать такие параметры прибора как усиление, величина ускоряющего напряжения, коэффициент полезного действия (выходная мощность) в рабочем диапазоне частот.
В то же время результаты экспериментальных измерений серии приборов (рис. 2), в которых заполнение пучком пролетного канала было увеличено в соответствии с расчетами, представленными на рис. 1г, показали уменьшение коэффициента шума ЛБВ в среднем до 32.34 дБ без дополнительной юстировки на минимальное значение коэффициента шума.
Результаты расчетов динамической расфокусировки в режиме насыщения на длинноволновом краю диапазона (рис. 3в) для ЛБВ № 2 показали, что увеличение заполнения пучком пролетного канала без изменения диаметра катода электронной пушки приводит к чрезмерному оседанию тока на ЗС. Типичные значения коэффициента шума ЛБВ № 2 в рабочем диапазоне частот, полученные в результате экспериментальных измерений, составили 37.39 дБ. Транспортировка пучка с заполнением ^п/Ккан = 0.6 в ЛБВ № 2 в отсутствие входного сигнала, как следует из анализа рис. 3а, б, происходит с минимальными пульсациями. Экспериментально измеренные значения токов, оседающих на ЗС, составили 2.3 мА в статическом режиме и 4.5 мА в режиме насыщения ВЧ-мощ-ности на длинноволновом краю рабочего диапазона частот. Согласно (1), при температуре им-прегнированного катода, равной Тк = 1400 К, температуре окружающей среды Т0 = 300 К, диаметре катода 2Як = 2.8 мм, минимальный коэффициент шума, должен уменьшиться на 4 дБ. При этом магнитное поле, необходимое для удержания пучка на прежнем заполнении, в соответствии с (2), уменьшится до Ва = 0.205 Тл (экспериментальные измерения показали уменьшение шума на 3.5
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.