CC BY
57
ОЦЕНКА ПРЕДЕЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЛБВ СО СПИРАЛЬНОЙ ЗАМЕДЛЯЮЩЕЙ СИСТЕМОЙ
DOI 10.24411/2072-8735-2018-10062
Шумская Людмила Петровна,
Московский государственный университет технологий и управления им. К.Г.Разумовского, Москва, Россия, [email protected]
Пчельников Юрий Никитич,
SloWaves, Inc. Cary, NC, США, [email protected]
Елизаров Андрей Альбертович,
Национальный исследовательский университет "Высшая школа экономики", Москва, Россия, [email protected]
Статья подготовлена в результате проведения исследо-вания (№ 17-05-0009) в рамках Программы "Научный фонд Национального исследовательского университета "Высшая школа экономики" (НИУ ВШЭ)" е 2017-2018 гг. и в рамках государственной поддержки ведущих университетов Российской Федерации "5-100"
Ключевые слова: лампа с бегущей волной, спиральная замедляющая система, электронный поток, дисперсионная характеристика, пространственные гармоники.
Достижения в области компьютерного моделирования и современной технологии производства спиральных ламп с бегущей волной (ЛБВ) позволили существенно увеличить их мощность, уменьшить габариты и вес, сделав их конкурентно способными по отношению к полупроводниковым приборам. При этом характерным для ЛБВ со спиральной замедляющей системой является возможность увеличения полосы усиления до двух октав и более [1, 2]. Принятое ранее сравнение качества электронных приборов по отношению выходной мощности к весу неприемлемо для усилителей с такими большими полосами усиления. Поэтому более объективным для усилителей является сравнение по коэффициенту качества, определяемому как отношение произведения выходной мощности на полосу усиления к весу усилителя.
Сравнение по параметру качества представляет интерес не только для ламп с одним типом замедляющей системы, но и с разными замедляющими системами, что позволяет более правильно проектировать радиотехнические устройства, обосновывать выбор диапазонов этих устройств. Особенно актуально это стало после того, как разработчики микроволновой аппаратуры перешли на более широкополосные тракты. Именно относительная узкополосность обычных волноводных трактов сдерживала внедрение результатов исследований по расширению полосы усиления ЛБВ [3]. Приводится оценка предельно допустимых параметров ЛБВ с различными типами замедляющих систем, и рассматриваются пути их реализации.
Информация об авторах:
Шумская Людмила Петровна, доцент, Московский государственный университет технологий и управления им. К.Г.Разумовского, Москва, Россия Пчельников Юрий Никитич, д.т.н., профессор-консультант, SloWaves, Inc. Cary, NC, США
Елизаров Андрей Альбертович, д.т.н., профессор, Национальный исследовательский университет "Высшая школа экономики", Департамент электронной инженерии, Москва, Россия
Для цитирования:
Шумская Л.П., Пчельников Ю.Н., Елизаров А.А. Оценка предельных параметров ЛБВ со спиральной замедляющей системой // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2018. Том 12. №4. С. 29-34.
For citation:
Shumskaya L.P., Pchelnikov Yu.N., Yelizarov A.A. (2018). Estimating of the limit parameters TWT with a helical slow-wave system. T-Comm, vol. 12, no.4, pр. 29-34. (in Russian)
7TT
Т-Сотт Том 12. #4-2018
7ТЛ
Р = 2&L Р
* пот вых
щей системы, на которой выделяется энергия оседающих электронов, а также часть энергии усиливаемой волны. При этом следует учесть, что основная часть и той и другой энергии выделяется на выходном участке замедляющей системы, составляющем менее одной трети всей длины замедляющей системы [1-3].
Типичным для ЛБВ с периодической магнитной фокусировкой можно считать токопрохождение порядка 95% в режиме большого сигнала и 98% в режиме малого сигнала. Таким образом, мощность токооседания на выходном участке ЛБВ составляет по крайней мере 0,03 Рл с учетом КПД
10-20% или (0,15-0,3) р .
Выделяемая вследствие распределенных потерь энергия определяется выражением:
(6)
Ку
где К - коэффициент затухания, а Ку ~ коэффициент усиления на единицу длины -замедляющей системы в децибел-лах.
Отношение К.1! ¡Су может быть значительным, увеличиваясь с ростом частоты сигнала/Приблизительно как ^.
Так для спиральной ЛБВ двухсантиметрового диапазона длин волн с замедлением порядка 5 и р - 100Вт, это отношение порядка 0,2, то, следовательно, поглощаемая на выходном участке мощность порядка 0,4 р м. Уменьшение
этого отношения возможно за счет увеличения усиления, которое пропорционально ■ Однако в приведенном
примере мощность пучка лишь втрое меньше предельно достижимой по фокусировке, и, следовательно, соотношение (6) может быть уменьшено только в 1,3 раза. Из приведенной оценки следует, что выделяемая на выходном участке двухсекционной ЛБВ мощность может быть порядка 6-8% от мощности пучка. Можно считать, что длина I выходного участка ЛБВ, па котором выделяется основная часть рассеиваемой мощности, определяется усилением порядка 10 дБ в линейном режиме. При расчете мощных ЛБВ можно воспользоваться следующим выражением для коэффициента усиления на единицу длины [6]:
(7)
М = 2,36 х Ю
-4 Ы'
(аР)1
(8)
и9'4
Ку* 4,8x10"2— Р(]иА
(10)
Таким образом, длина нагруженного рассеиваемой мощностью участка „ 2x10-/1
n9,4PnUi
(П)
Для рассмотренной выше стоваттной ЛЬВ двухсантиметрового диапазона волн, имеющей коэффициент замедления, равный пяти, ( к 20мм.
Площадь, с которой должна отводиться рассеиваемая мощность, т.е. по крайней мере, 0,06 р, равна 1яЬ1. Следовательно, поток мощности через единицу поверхности, т.е. удельная тепловая нагрузка:
„ .о,6Р03'У"
наг
(12)
2Ь/г2Л х Ю2
Подставляя в (12) b из (3) при В — 0,1 Тл и Рвых вместо Р{) из (5), окончательно получим:
Р зипш
»0,9x10
3 [,225
(13)
Здесь к з 0,05 - коэффициент связи, Г = 0,5 - коэффициент депрессии, М - параметр тока, определяемый выражением
Подставляя в (8) выражение для тока i=_ÍL =
U
и2
Р " , полагая а = 0,7 b и Л/У = 1, получим (505)2
М = 1,89х ]0"9 п5 Ра (9)
Возвращаясь к формуле (7). находим с учетом (9)
Как показывают экспериментальные исследования, при использовании для опор беришшевой керамики, допустимая для спиральных ЛБВ мощность нагрузки составляет примерно 100 Вг/слГ. Для замедляющих систем тина цепочки связанных резонаторов этот предел может быть увеличен до 1кВт/сл;_. На рисунке ! показаны линии, ограничивающие выходную мощность ЛБВ при допустимой нагрузке 100 Вт/ см2 и при изменении коффициенга замедления от 2 до 10. Из анализа полученных зависимостей следует, ЧТО ограничение выходкой мощности по теплоотводу от замедляющей системы в случае спиральных ЛБВ непрерывного действия является определяющим .тля замедления менее 5 во всем рассмотренном диапазоне от 1 мм до ! м, И лишь на длине волны менее 1 мм, при замедлении около 10 и более, основным фактором, ограничивающим выходную мощность лампы, является фокусировка.
Таким образом, улучшение теплоотвода от спирали актуально. В решении этой проблемы можно отмстить следующие наиболее существенные этапы: 1 - применение берил-лиевой керамики, 2 - обеспечение хорошего теплового контакта между замедляющей системой и штабиками, в которых крепится спираль, 3 - применение для крепления спирали металлокерамических штабиков. При этом применение металлокерамических опор позволяет одновременно расширить полосу усиления ЛБВ, а уменьшение сопротивления связи оказывается значительно меньше, чем в случае диэлектрических штабиков.
Ограничения мощности из-за самовозбуждения на (-1)
пространственной гармонике обратной волны
Возбуждение на (-1) пространственной гармонике обратной волны становится наиболее вероятным, когда на периоде системы укладывается половина длины замедленной волны, т.е. в случае однозаходной спирали ее шаг И =Х / 2п. Объясняется это тем, что при указанном условии фазовые
7ТТ
скорости (-1) гармоники обратной волны и нулевой гармоники усиливаемой волны совпадают. На практике работа спиральной ЛБВ становится невозможной при замедлении меньшем 5, что соответствует ускоряющему напряжению, большему 10 кВ.
Наиболее существенным путем подавления возбуждения на (-1) пространственной гармонике является уменьшение периодичности системы, например, применение многоза-ходной спирали. Однако прибавление проводников сопровождается появлением новых типов волн, имеющих отрицательную дисперсию, например, противофазной волны в двухзаходной спирали (рис. 3) [7], что также приводит к самовозбуждению на обратной волне.
Применявшиеся до настоящего времени способы подавления возбуждения колебаний на (-1) гармонике в спиральных ЛЬВ позволяют немного увеличить рабочее напряжение — до 12-13 кВ. В то же время применение двухзаходной спирали позволило бы уменьшить замедление вдвое и, следовательно, увеличить выходную мощность более чем на порядок. Наиболее удачной попыткой в этом направлении является применение кольцевых связок между спиралями [8]. Однако при этом заметно возрастает дисперсия.
Рис. 3. Двухзаходная спиральная замедляющая система: 1 и 2 — спирали, витки которых соединены перемычками; 3, 4 - диэлектрические опоры; 5 - металлический экран
Другим возможным способом подавления самовозбуждения является применение петлеобразных перемычек (рис. 4) или продольных связок I'), 10^ но при этом уменьшается связь с пучком и вносится дополнительная неоднородность. В связи со сказанным, представляют интерес исследования, направленные не на подавление противофазной волны, а на увеличение иди уменьшение ее замедления и уменьшение ее связи с пучком. Так, например, создавая дополнительную емкость между противоположными витками двухзаходной спирали, можно существенно увеличить ее замедление на противофазном виде колебаний. При этом возникает возможность получения участка с аномальной дисперсией основной синфазной водны.
Самой первой попыткой избавиться от самовозбуждения на (-1) пространственной гармонике явилось создание двойной спирали с противофазной намоткой, трансформировавшейся позже в систему «колыю-стержень». При том же периоде, что и однозаходная спираль, эта система имеет меньшее замедление и, следовательно, меньшую периодич-
ность. Кроме того, у нее больше поперечных проводников, что также уменьшает периодичность.
Рис. 4, Спиральная замедляющая система с петлеобразными перемычками: I и 2 - полукольца; 3 и 4 - петлеобразные перемычки
Дальнейшего уменьшения периодичности удалось достигнуть заменой перемычек между стержнями наклонными кольцами 11 ¡1. В такой конструкции вдвое уменьшился период, и вдвое увеличилось число проводников по сравнению с системой «кольцо-стержень». Коэффициент связи при этом мало изменяется.
Отрицательная магнитная связь позволяет улучшить дисперсию и в штыревых замедляющих системах, например, в такой системе, как гребенка. Уменьшить дисперсию в гребенке удается так же е помощью емкостной связи между гребешками через один (рис. 5) 112, 13].
Рис. 5. Конструкции замедляющих систем гребенчатого типа
с уменьшенной дисперсией: а) I - металлическое основание, 2 - выступы, электрически
соединенные перемычками 3; б) 1 - металлическое основание, 2 - выступы, создающие дополнительную магнитную связь между соседними ячейками 3
В этом случае при подходе к сдвигу фазы между соседними гребешками равному л, когда дисперсия максимальна, вносимая боковыми пластинами емкость уменьшается и замедление возрастает не так быстро.
T-Comm Том 12. #4-2018
Влияние аномальной дисперсии
На первых порах расширение полосы усиления ЛЕВ связывали е уменьшением наклона дисперсионной характеристики. Однако ужесточение требований к перепаду усиления в полосе, превышающей две октавы, а также требования к уровню второй гармоники усиливаемого сигнала поставили на повестку дня задачу получения аномальной дисперсии. Такую дисперсию удается получить, например, в спирали с продольно проводящим экраном, однако при этом приходится идти на уменьшение связи электромагнитной волны с пучком 114,15].
Так как диэлектрические опоры уменьшают коэффициент связи, то наиболее удачной оказалась замена диэлектрических штабиков металлическими с изолирующей прокладкой из хорошо проводящего тепло диэлектрика. Такие комбинированные штабики позволяют обеспечить хороший те-плоотвод и получить аномальную дисперсию при минимальном уменьшении коэффициента связи. В лампах миллиметрового диапазона изолирующую прокладку на металлические опоры можно наносить плазменным напылением.
Само по себе отсутствие дисперсии не позволяет получить равномерного усиления в широкой полосе частот, так как коэффициент связи и электрическая длина лампы уменьшаются с уменьшением частоты. Частотная характеристика ЛБВ получается колоколообразной. Поэтому и представляет интерес получения такой дисперсии, при которой в центре полосы усиления синхронизм нарушался бы. С этой целью применяется азимутально-проводящий экран с емкостными разрывами [16-18]. С помощью такого экрана можно получить дисперсионную характеристику с заметным «провалом» (участок с аномальной дисперсией), положение которого можно перемещать, изменяя размеры емкостного зазора. Этот факт теоретически и экспериментально подтвержден на модели, в которой снаружи цилиндрической спирали устанавливались полукольца с отогнутыми наружу и изолированными друг от друга концами (рис.6а). Изменяя длину отогнутых концов и расстояние между ними, можно в достаточно широких пределах изменять емкостную проводимость в азимутальном направлении. На рисунке 66 приведены экспериментальные дисперсионные характеристики макета, полученные для d/b = 1,2, зазор между отогнутыми концами а = 0.1 мм и Длин / = 5 мм (кривая 2) и I = 20 мм (кривая 3). Для сравнения здесь же показана характеристика, полученная для той же спирали без экрана (кривая 1). Анализ полученных кривых показывает, что при изменении длины отогнутых концов полуколец можно управлять протяженностью и крутизной участка аномальной дисперсии.
400 600 800 1000 /МГц
а) б)
Рис. 6. Модель спирали в экране с емкостной проводимостью в азимутальном направлении (а) и ее дисперсионные характеристики (б)
Аналогичный эффект удалось получить па системе «кольцо-стержень», разрывая одно из полуколец поочередно то е одной, то с другой стороны.
Представленные результаты исследований позволяют судить о далеко не исчерпанных возможностях улучшения параметров ЛБВ путем модернизации существующих и создания новых замедляющих систем.
Литература
1. Пчельников Ю.Н.. Елизаров A.A. Анализ методов увеличения выходной мощности и рабочей частоты широкополосных ламп с бегущей волной II Радиотехника и электроника. 2009. Т. 54. № 9. С.1082.
2. Пчельников Ю.Н. Коррекция дисперсионной характеристики спиральной замедляющей системы в лампах с бегущей волной Н Радиотехника и электроника. 2011. Т. 56. № 4. С. 439.
3. Пчельников Ю.Н.. Демина Г.Р.. Изюмова Т.И. Влияние экрана с анизотропной проводимостью на дисперсионные свойства и коэффициент связи спиральной линии /I Электроника СВЧ. Серия I. 1967. №9, С. 41.
4. Лошаков Л.N.. Шумская Л.П.. Иванова Н.Е. К расчёту медленной волны в спиральной линии с эллиптическим сечением II Радиотехника и электроника. 1980. Т. 25. № 11. С. 2286.
5. Лошаков Л.И., Шумская Л.Г1. Расчёт параметров связи электронного потока с полем спирали эллиптического сечения II Радиотехника. 1983. №12. С. 72.
6. Лошакон Л.И.. Пчельников Ю.Н. Теория и расчет усиления лампы с бегущей волной. М., Советское радио, 1964.
7. A.C. СССР № 512508. Двухзаходпая спиральная замедляющая система. Ю.Н.Пчельников. Опубл. в БИ № 16, 1976.
8. Pchelnikov Yu.N. Novel Slow-wave structure tor high voltage TWTs // International Vacuum Electronics Conference (IVEC). IEEE International Conference Publications. USA, Monterey. 2012. P. 273.
9. Pchelnikov Yu.N. Ring-Double-Bar Slow Wave Structure for High Power TWTs // IEEE Transaction on Electron Dcviccs. 2016, Vol.63. No. 11.P.4479-4483.
10. Pchelnikov Yu.N.. Chemin D.. Vlasov A.N. Bi-Helix SWS for High Power TWTs И IEEE Transaction on Electron Devices. 2014. V0Î.6I.N0.6. P.l871-1876.
I !. Kennedy J.В.. Ferguson P.E., СhriStensen J.A. Techniques for high average power traveling-wave tubes // Conf, Electron Device Techniques. New York Cily, USA. 1970, P. 71.
12. A.C. СССР № 612312. Замедляющая система гребенчатого типа. 10,1 ¡.Пчельников, В.К.Дзугаев. Опубл. в БИ № 23, 1978.
13. A.C. СССР № 612313. Замедляющая система гребенчатого типа. К). М. Пчельников, В.К.Дзугаев. Опубл. в БИ № 23, 1978.
14. A.C. СССР № 324674. Спиральная замедляющая система. Ю.Н. Пчельников, H.H. Кравченко. Опубл. в БИ № 2, 1972.
15. Елизаров A.A.. Каравашкина В.Н. СВЧ устройства на замедляющих системах с аномальной дисперсией. Монография. LAP LAMBERT Academic Publishing, 2013.
16. Пчелышков Ю.Н,, Шумская Л.П. Спираль в экране с емкостной проводимостью в азимутальном направлении II Радиотехника и электроника. 1999. Т. 44. №9. С.1139.
17. Елизаров A.A., Каравашкина H.H., Кухаренко A.C. Исследование фидерных линий на отрезках замедляющих систем с аномальной дисперсией // Измерительная техника. 2009. № 7,С.50.
18. Елизаров A.A., Каравашкина В. Н. Конструктивно-технологические особенности устройств на замедляющих системах с аномальной дисперсией // Т-Согаш: Телекоммуникации и транспорт. 2013. № 9. С.77.
ESTIMATING OF THE LIMIT PARAMETERS TWT WITH A HELICAL SLOW-WAVE SYSTEM
Lyudmila P. Shumskaya, Moscow State University of Technologies and Management them. K.G.Razumovsky, Moscow, Russia,
[email protected] Yuriy N. Pchelnikov, Cary, NC, USA, [email protected] Andrey A. Yelizarov, National Research University "Higher School of Economics", Moscow, Russia, [email protected]
Abstract
Advances in computer modeling and modern manufacturing technology helix TWTs allowed to significantly increase their capacity, reduce size and weight, making them competitive in relation to semiconductor devices. Thus the characteristic of the TWT with a helical slow-wave system is the possibility of increasing the amplification band up to two octaves and more [1, 2].
The earlier comparison of quality of electronic devices against output power-to-weight is unacceptable for amplification with such great bands. Therefore, more objective for amplifiers is to compare the quality coefficient, defined as the ratio of output power to the band-to-weight gain of the amplifier. A comparison of the quality parameter is of interest not only for TWTs with one type of slow-wave system, but with different slow-wave systems, which allows more properly to design electronic devices to substantiate the choice of the wave ranges of these devices. This was especially true after the developers of microwave equipment has moved to wider ranges of wave lines. That is relative narrow band of waveguide ranges hindered the implementation of research results to extension band gain of a TWT [3]. Below the assessment of maximum possible parameters of the TWT with different types of slow-wave structure, and the ways of their implementation.
Keywords: traveling wave tube, helical slow-wave structure, electron flow, dispersion characteristic, spatial harmonics. References
1. Pchelnikov Yu.N., Elizarov A.A. (2009). Analysis of the Methods to Increase Output Power and Frequency of the broadband TWTs. Journal of Communications Technology and Electronics. Vol. 54. No. 9, pp. 1082.
2. Pchelnikov Yu.N. (201 1). Correction of the dispersion characteristics of the helical slow-wave system TWTs. Journal of Communications Technology and Electronics. Vol. 56. No. 4, pp. 439.
3. Pchelnikov Yu.N., Demina G.R., Izyumova T.I. (1967). Influence of the screen with an anisotropic conductivity on the dispersion properties and the coupling coefficient of the helical line. Microwave Electronics. Series 1. No. 9, p. 41.
4. Loshakov L.N., Shumskaya L.P., Ivanova N.E. (1980). To the calculation of the slow wave in the helical line with an elliptical cross-section. Journal of Communications Technology and Electronics. Vol. 25. No. 11, pp. 2286.
5. Loshakov L.N., Shumskaya L.P. (1983). Calculation of interaction parameters of the electron flow with the field spiral elliptical cross-section. Radiotechnika. No. 12, p. 72.
6. Loshakov L.N., Pchelnikov Yu.N. (1964). Theory and calculation of the TWT gain. Moscow: Sovetskoe radio.
7. A. S. USSR № 512508. Double-Bar helical slow-wave system. Yu.N.Pchelnikov. Publ. in BI No. 16, 1976.
8. Pchelnikov Yu.N. (2012). Novel Slow-wave structure for TWTs high voltage. International Vacuum Electronics Conference (IVEC), IEEE International Conference Publications. USA, Monterey, p. 273.
9. Pchelnikov Yu.N. (2016). Ring-Double-Bar Slow Wave Structure for High Power TWTs. IEEE Transaction on Electron Devices. Vol. 63. No.11, pp. 4479-4483.
10. Pchelnikov Yu.N., Chernin D., Vlasov A.N. (2014). Bi-Helix SWS for High Power TWTs. IEEE Transaction on Electron Devices. Vol.61. No.6, pp. 1871-1876.
11. Kennedy J.B., Ferguson P.E., Christensen J.A. (1970). Techniques for high average power traveling-wave tubes. Conf. Electron Device Techniques, New York City, USA, p. 71.
12. A. S. USSR № 612312. Slow-wave structure of the comb type. Yu.N.Pchelnikov, V. K. Dzugaev. Publ. in BI No. 23, 1978.
13. A. S. USSR № 612313. Slow-wave structure of the comb type. Yu.N.Pchelnikov, V. K. Dzugaev. Publ. in BI No. 23, 1978.
14. A. S. USSR № 324674. Helical slow-wave system. Yu. N. Pchelnikov, N. P. Kravchenko. Publ. in BI No. 2, 1972.
15. Yelizarov A.A., Karavashkina V. N. (2013). Microwave device for slowing down systems with anomalous dispersion. Monograph. LAP LAMBERT Academic Publishing.
16. Pchelnikov Yu.N., Shumskaya L.P. (1999). Spiral screen with capacitive conductivity in the azimuthal direction. Journal of Communications Technology and Electronics. Vol. 44. No. 9, p. 1139.
17. Yelizarov A.A., Karavashkina V.N., Kukharenko A.S. (2009). Investigation of Feeder lines on Sections of Slow-wave systems with Anomalous Dispersion. Measurement techniques. Vol. 52. No.7, p. 50.
18. Yelizarov A.A., Karavashkina V.N. (2013). Constructive-technological features of the devices based on slow-wave structures with anomalous dispersion. T-Comm. No. 9, p. 77.
Information about authors:
Lyudmila P. Shumskaya, Associate Professor, Moscow State University of Technologies and Management them. K.G.Razumovsky, Moscow, Russia Yuriy N. Pchelnikov, Dr. S'c - Eng., Professor-consultant, Cary, NC, USA
Andrey A Yelizarov, Dr. S'c - Eng., Professor, National Research University "Higher School of Economics", Moscow, Russia
