CC BY
303
УДК 621.385.632
П.Д. Шалаев, Д.Л. Симонов
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ВОЗМОЖНОСТИ ПОВЫШЕНИЯ КПД ЛБВ В СОСТАВЕ СВЧ-УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ В ЛИНЕЙНОМ РЕЖИМЕ РАБОТЫ
Представлены результаты исследования амплитудных характеристик спиральной ЛБВ средней мощности с высоким КПД электроники. Проведена оценка эффективности четырёхступенчатой рекуперации энергии электронов в коллекторе ЛБВ при различных уровнях выходной мощности. Показана возможность увеличения КПД ЛБВ в линейном режиме в 2-3 раза.
Спиральная ЛБВ, КПД электроники, КПД коллектора, КПД ЗС, спектр энергии электронов
P.D. Shalayev, D.L. Simonov RESEARCH RESULTS OF TWT INCREASE EFFICIENCY OPPORTUNITY IN THE MICROWAVE-AMPLIFIER STRUCTURE OF THE LINEAR OPERATING MODE
Investigation results of amplitude characteristics for high electronic efficiency helix TWT are presented in the text. The estimation of efficiency four-stage recuperation of electrons energy in TWT collector is spent at various levels of output power. The opportunity of TWT efficiency increase in the linear operating mode in 2-3 times is shown.
Helix TWT, electronic efficiency, collector efficiency, SWS efficiency, spectrum of electrons energy
Введение. При разработке ЛБВ для выходных усилителей космических аппаратов в качестве одной из основных решается задача увеличения её КПД в режиме максимальной выходной мощности (в режиме насыщения). Однако по условиям эксплуатации эти ЛБВ в течение длительного времени могут работать в режиме, в котором уровень комбинационных составляющих третьего порядка двухчастотного сигнала не превышает минус 30 дБ, или в режимах с выходной мощностью на 3-6 дБ меньше максимальной и которые для краткости далее мы будем называть линейными режимами. Ряд параметров ЛБВ на этих участках амплитудной характеристики улучшается: увеличивается
коэффициент усиления, снижаются коэффициенты компрессии и амплитудно-фазового преобразования, уменьшается уровень комбинационных составляющих при усилении нескольких сигналов. Но КПД ЛБВ (п) при переходе к линейному режиму существенно уменьшается из-за снижения её КПД электроники (пЭ).
Увеличение п как в режиме максимальной выходной мощности, так и в других режимах работы достигается за счёт применения рекуперации энергии электронного потока в коллекторе ЛБВ.
Формальное рассмотрение зависимости п от пэ, КПД замедляющей системы (пзс) и КПД рекуперации (пР) приводит к выводу, что при близких к 100% значениях пЗС и пР высокие значения п достигаются и при очень низких значениях пЭ [1]. Следовательно, можно ожидать, что в зависимости от назначения усилителя СВЧ-мощности и характеристик вторичного источника электропитания, конструкция ЛБВ и режимы работы её коллектора могут быть оптимизированы по максимальному КПД в одной или в нескольких точках её амплитудной характеристики.
Предельные возможности такой оптимизации можно определить на основе данных исследования работы пространства взаимодействия ЛБВ, включающих энергетические спектры электронных потоков за плоскостью выхода из него.
В данной работе приводятся результаты численных и экспериментальных исследований пространства взаимодействия спиральной ЛБВ, отличающейся высоким пЭ. Исследования выполнены с целью выбора направления работ по повышению КПД СВЧ-усилителя и ЛБВ в составе усилителя на различных участках их амплитудной характеристики.
Все результаты исследований приводятся только для одной средней частоты рабочего диапазона ЛБВ. Это связано с тем, что выводы, полученные в результате исследования спектра энергии электронов, имеют общий характер и справедливы как для одночастотного, так и для многочастотного режимов работы любой другой частоты рабочего диапазона.
Объект исследований. Исследовалась спиральная ЛБВ средней мощности четырёхсантиметрового диапазона длин волн, предназначенная для работы в усилителях СВЧ-мощности спутников связи [2]. Конструкция ЛБВ обеспечивает соответствие её параметров компромиссному сочетанию множества противоречивых требований, включая высокий п, малые габариты и массу.
Существенными особенностями этой ЛБВ являются высокое значение пЭ и широкий спектр энергий электронов в электронном потоке на выходе из пространства взаимодействия.
Конструкция спиральной замедляющей системы (ЗС) лампы обеспечивает низкий уровень СВЧ-потерь в пространстве взаимодействия и высокую эффективность взаимодействия электронного потока с бегущей электромагнитной волной в режиме максимальной выходной мощности. В этом режиме пЭ ЛБВ достигает 38% в полосе частот 10%. Такое высокое для спиральных ЛБВ значение пЭ получено в результате сохранении оптимальных условий энергообмена в пространстве взаимодействия на всей его длине за счёт синхронизации скорости бегущей электромагнитной волны и сгустков электронов в режиме максимальной выходной мощности.
Коллектор ЛБВ содержит последовательно расположенные четыре токоприёмника и отражающий конусный электрод, изолированные по высокому напряжению между собой и от корпуса лампы. Высоковольтная изоляция электродов коллектора между собой и от корпуса ЛБВ позволяет выбирать различные варианты распределения потенциалов на электродах в режимах от одной до четырёх ступеней рекуперации. Коллектор представляет собой малогабаритную электростатическую систему, работает как без магнитного поля, так и с поперечным магнитным полем в части внутреннего объёма. За счёт четырёхступенчатой рекуперации энергии электронного потока в коллекторе п в режиме максимальной выходной мощности увеличивается до 60%.
Основные характеристики ЛБВ имеют следующие типичные значения в рабочей полосе частот 10%: напряжение ЗС относительно катода (иЗС) 3,7-3,9 кВ, ток электронного потока (суммарный ток электродов ЛБВ) (/0) 35-40 мА, выходная мощность (РВых) 55-60 Вт, коэффициент усиления (Ку) в режиме максимальной выходной мощности 45-50 дБ, п в режиме максимальной выходной мощности 58-63% при пЭ - 37-39%.
Методика исследований. Исследования выполнены в два этапа. На первом этапе для шести точек амплитудной характеристики ЛБВ проводились расчёты пэ, энергии
электронов в электронном потоке на выходе из пространства взаимодействия, пЗС, пР при условии идеальной сортировки электронов по электродам коллектора в соответствии с энергиями электронов и потенциалами электродов. Расчёты выполнены с помощью программ [3-4]. По результатам расчёта определялись предельные значения пР и п на различных участках амплитудной характеристики при разных режимах рекуперации энергии электронов в коллекторе.
На втором этапе для тех же шести точек амплитудной характеристики, проводились измерения параметров образца ЛБВ и энергии электронов в электронном потоке в коллекторе. Измерение параметров образца ЛБВ проводилось в непрерывном режиме. Распределение электронов по энергиям определялось с помощью многосекционного коллектора в непрерывном и импульсном режимах. В непрерывном режиме измерения велись до достижения током ЗС (/зс) уровня /ЗС = 0,1/0. В импульсном режиме на анод электронной пушки ЛБВ подавался прямоугольный импульс длительностью 40 мкс со скважностью 10. Режим работы ЛБВ в импульсном режиме предварительно калибровался по непрерывному режиму. При обработке и анализе результатов измерений не учитывалось провисание потенциала в электронном потоке. Снижение провисания потенциала в процессе измерений достигалось за счёт применения двухступенчатой схемы электростатического торможения, позволяющей разделить электронный поток на две части. При этом погрешность измерения, связанная с провисанием потенциала, не превышала 1 % .
Результаты расчёта амплитудных характеристик ЛБВ. Расчёты выполнены для шести точек амплитудной характеристики: для точки насыщения, за насыщением -для точки с выходной мощностью на 3 дБ меньше мощности насыщения, до насыщения
- для точек с выходной мощностью на 3, 6, 10 и 15 дБ меньше мощности насыщения. Изменение пЭ в шести точках амплитудной характеристики в выходной секции пространства взаимодействия показано на рис. 1. На рисунке и далее по тексту режимы работы ЛБВ по амплитуде выходного сигнала обозначаются относительными значениями выходной мощности на частоте первой гармоники по её уровню в режиме насыщения в дБ (5Рвых).
ЪРвы1х = 101ё Рвых/Рвых. макс., где Рвых - выходная мощность на частоте первой гармоники; Рвых макс. - выходная мощность на частоте первой гармоники в режиме насыщения.
Как видно на рисунке, сохранение оптимальных условий энергообмена в пространстве взаимодействия на всей его длине за счёт синхронизации скорости бегущей электромагнитной волны и сгустков электронов обеспечивается только в режиме максимальной выходной мощности. В этом режиме пЭ достигает своего максимума (37,2%.) на безразмерной длине 9 = 15, что соответствует длине пространства взаимодействия ЛБВ.
Рис. 1. Изменение КПД электроники в выходной секции пространства взаимодействия.
§РВЫХ: —•— 0 дБ; -▲---3 дБ (за насыщением); -■-3 дБ; -к--6 дБ; -*-10 дБ; -е---15 дБ
В режиме за насыщением, на длине пространства взаимодействия, наблюдаются два максимума пэ- Первый из них находится на длине 9 = 12,5, значительно меньшей длины пространства взаимодействия. Следствием такого характера изменения пЭ является значительный рост удельных потерь СВЧ-мощности по сравнению с режимом насыщения.
В других режимах пЭ достигает максимума также на длине, меньшей длины пространства взаимодействия, а далее до конца пространства взаимодействия наблюдается его уменьшение. Но точки максимума пЭ в этих режимах расположены существенно ближе к концу пространства взаимодействия (от 9 = 14,7 при ЪРВЫХ = -3 дБ до 9 = 14,4 при ЪРВЫХ = -15 дБ). При сопоставлении результатов расчётов для разных ЪРВЫХ отмечено снижение отношения мощности СВЧ потерь к мощности взаимодействия (к разности между начальной и конечной мощностью электронного потока) с 17,8 % для ЪРВЫХ = 0 до 15,2% для ЪРВЫХ = -3 дБ и -6 дБ. В линейном режиме это отношение увеличивается и достигает 22,6%. Наибольшей величины доля потерь в мощности взаимодействия достигает за насыщением - 33,3%.
На рис. 2 а показаны рассчитанные спектры энергий электронов на выходе из пространства взаимодействия. Расчёты выполнены для 24 «крупных частиц» на периоде волны. Энергии электронов на рисунке представлены в координатах ///0; Е, где 1/10 - нормированный по 10 ток электронного потока, соответствующий электронам с энергиями не менее некоторого значения, Е - энергия электронов (крупных частиц), нормированная по их энергии на входе в пространство взаимодействия. При измерении Е с помощью электродов коллектора: Е = (иЗС-иКЛ)/иЗС, где иКЛ - напряжение тормозящего электрода коллектора относительно катода. По этим спектрам, расчётным величинам пЭ и заданным значениям иЗС (3,8 кВ), 10 (39 мА) рассчитаны п при одноступенчатой и четырёхступенчатой рекуперации энергии электронов в условиях идеальной сортировки по ступеням коллектора (предельные значения п). Принималось, что при минимальном по спектру энергий электронов напряжении первой секции коллектора ток ЗС равен нулю. Расчёт п проводился с учётом мощности, потребляемой подогревателем катода, которая равняется 2,3 Вт. КПД ЛБВ при одноступенчатой рекуперации рассчитывался для двух вариантов: с одним напряжением коллектора во всех режимах (п1РИ1) и с минимально возможным по спектру энергий напряжением коллектора в каждом режиме (п1РИ2). КПД при четырёхступенчатой рекуперации рассчитывался для трёх вариантов. В первом варианте (п4РИ1) напряжения на секциях коллектора выбирались оптимальными для режима максимальной выходной мощности. Во втором варианте (п4РИ2) напряжения на секциях коллектора выбирались 174
оптимальными для каждого из шести режимов. В третьем варианте (п4РИ3) напряжения на секциях коллектора выбирались оптимальными для каждого из шести режимов, но при нулевой мощности подогревателя. Результаты этих расчётов приведены на рис. 2 б. На этом же рисунке приведены значения пЭ.
Как видно на рис. 2 а и 2 б, при уменьшении пЭ изменяется характер кривой, описывающей распределение электронов по энергиям на выходе из пространства взаимодействия, причём уменьшение пЭ на 6 дБ относительно максимального значения ещё не приводит к существенному увеличению минимальных энергий «крупных частиц», а уменьшение пЭ на 10-15 дБ сопровождается увеличением минимальных энергий «крупных частиц» в 2,6-3 раза соответственно.
Такое увеличение минимальных энергий «крупных частиц» при соответствующем изменении напряжения коллектора позволяет в линейном режиме поддерживать п с одноступенчатой рекуперацией энергии электронов почти на постоянном уровне - около 10%.
Рис. 2 а. Расчетное распределение электронов Рис. 2 б. Расчетные зависимости КПД
по энергиям в плоскости выхода от уровня выходного сигнала:
из пространства взаимодействия: -• - ^Э; ▲ - ц1ри1; -+- - ц1ри2; -*■- - Ц4ри1;
§Рвых: ▲ - -3 дБ (за насыщением); -• - 0 дБ; -к- - ^и»; -■- - П4риз
-■----3 дБ; -к--6 дБ; -*---10 дБ; -е---15 дБ
Оптимизация электрических потенциалов четырёх секций коллектора в каждом режиме позволяет увеличить п в режимах с пониженным уровнем выходной мощности на 10-20% по абсолютной величине. При изменении потенциалов секций коллектора в соответствии с изменением спектров энергий «крупных частиц» п может оставаться высоким даже при уменьшении пЭ в разы и десятки раз: более 60% при ЪРВЫХ = -3 дБ и 20-40% в линейном режиме (см. рис. 2 б).
Как видно на рисунке, при таком варианте рекуперации энергии электронов существенное влияние на величину п оказывает мощность подогревателя. Это влияние особенно велико в линейном режиме, когда потребляемая мощность ЛБВ становится сравнимой с мощностью подогревателя катода. Снижение мощности подогревателя до нуля, например за счёт применения автоэмиссионных катодов, позволяет увеличить п в линейном режиме с 25-45% до 40-57% (в 1,3-1,6 раза).
При анализе возможности увеличения п на разных участках её амплитудных характеристик необходимо иметь информацию о структуре СВЧ-потерь в узлах ЛБВ на этих участках, т.е. возникает вопрос о зависимости %С и от ^Э. На рис. 3 представлены результаты расчета ЛБВ, полученные при условии идеальной сортировки электронов по токоприёмникам четырёхсекционного коллектора в соответствии со спектрами энергий
«крупных частиц». Значения лК определялись по рассчитанным значениям Лт, ЛЭ и ЛЗС в соответствии с известным выражением [4]:
л _ Лзс -Лез
Т 1 -Лк-(1 -Лез) ,
где лТ - технический КПД ЛБВ; лВЗ - КПД взаимодействия (лВЗ = ЛЭ/ЛЗС).
КПД ЗС определялось как отношение выходной мощности на частоте первой гармоники к разности мощностей электронного потока на входе в пространство взаимодействия, равной 10и0, и на выходе из пространства взаимодействия, рассчитанной по спектру энергий электронов.
Кривые соответствуют двум вариантам четырёхступенчатой рекуперации: первый вариант (лк4ри1) - напряжения на секциях коллектора выбраны оптимальными для режима максимальной выходной мощности; второй вариант (лк4ри2) - напряжения на секциях коллектора выбраны оптимальными для каждого из шести режимов.
Рис. 3. Расчетные зависимости КПД коллектора и ЗС ЛБВ от уровня выходного сигнала:
▲ ЦЗС; -^- - лк4ри1; -к лк4ри2
Как видно на рис. 3, КПД четырёхсекционного коллектора в режиме максимальной выходной мощности при идеальной сортировке электронов может достигать 90%.
В первом варианте рекуперации КПД коллектора в режиме ЪРВЫХ = -3 дБ падает до 84-87% из-за несоответствия выбранных потенциалов токоприёмников коллектора спектру энергий «:крупных частиц». В линейном режиме Лк4ри1 возрастает до 91%. Увеличение лк4ри1 в линейном режиме связано с существенным увеличением минимальных энергий «крупных частиц» - все «крупные частицы» распределяются в двух последних секциях коллектора.
Во втором варианте КПД коллектора с уменьшением пЭ увеличивается и достигает 99% в линейном режиме.
Показанное на рисунке изменение ЦЗС объясняется тем, что отношение мощности СВЧ-потерь к мощности взаимодействия увеличивается в линейном режиме и в режиме за насыщением. Это является следствием смещения точки насыщения по ЛЭ ко входу ЛБВ как показано на рис. 1.
Результаты экспериментальных исследований ЛБВ. Электрический режим работы образца ЛБВ, результаты измерения амплитудных характеристик которого представлены в данной работе, характеризуется следующими основными параметрами: иЗС = 3,8 кВ, 10 = 39,8 мА, электрические напряжения секций коллектора относительно
катода последовательно понижались от первой к последней секции и имели следующие значения - 2,9 кВ; 2,35 кВ; 1,65 кВ; 0,3 кВ. Указанные электрические напряжения секций коллектора получены в результате оптимизации в режиме максимальной выходной мощности. Мощность, потребляемая подогревателем катода, равнялась 2,3 Вт.
В режиме максимальной выходной мощности получены следующие значения параметров ЛБВ на средней частоте рабочего диапазона частот: Рвых = 59,3 Вт, КУ = 46,1 дБ, = 38,7%, л = 60,7%. В режиме максимального л в коллекторе ЛБВ оседает
0,955 /0 (38,0 мА), при этом из 0,045 /0 (1,8 мА), оседающих в ЗС, 0,035 /0 (1,4 мА) возвращается из коллектора. Введение в коллектор поперечного магнитного поля позволяет полностью устранить обратный поток из коллектора и увеличить долю суммарного тока коллектора до 0,99 /0 (39,4 мА), но в этом случае нарушается оптимальное распределение тока по электродам коллектора.
Измеренные и рассчитанные по результатам измерений характеристики ЛБВ представлены на рис. 4 а, б и 5 а, б.
На рис. 4 а видно, что экспериментальные значения энергий электронов образуют более широкий спектр по сравнению с расчётным. Экспериментальные значения минимальных энергий ниже расчётных, увеличение минимальных энергий при переходе в линейный режим происходит более плавно и до меньших величин. Но характер изменений в результате перехода от режима максимальной выходной мощности к линейному режиму соответствует расчетам.
Рис. 4 а. Экспериментальное распределение электронов по энергиям в коллекторе 5РВЫХ:
▲----3 дБ (за насыщением); -• - насыщение;
-■--------------------------------3 дБ; -к-6 дБ; л-10 дБ; -е-15 дБ
Рис. 4 б. Экспериментальные зависимости КПД от уровня выходного сигнала:
”• ЦЭ; ▲ Л1и1; ^ Ц1и2; Ц4и1; л4и2
Экспериментальные значения отношений мощности СВЧ потерь к мощности взаимодействия, соответствующие представленным на рис. 4 а данным, на разных участках амплитудной характеристики изменяются так: 20,8% (ЪРВЫХ = -3 дБ за насыщением), 12,3% (5РВЫХ = 0 дБ), 13,3% (5РВЫХ = -3 дБ), 19,8% (5РВЫХ = -6 дБ), 35% (ЪРвы1х = -10 дБ), 40% (ЪРвы1х = -15 дБ).
Приведённые данные по линейному режиму могут быть завышены на 10-15% по абсолютной величине. Это связано с тем, что при использовании принятой здесь методики измерения энергии электронов в электронном потоке погрешность определения мощности СВЧ-потерь в линейном режиме значительно возрастает. Происходит это по двум причинам. Во-первых: в линейном режиме мощность электронного потока близка к максимальной, а мощность СВЧ-потерь по абсолютной величине минимальна, поэтому даже незначительная погрешность измерения мощности электронного потока приводит к большой погрешности определения мощности СВЧ-потерь. Во-вторых: погрешность,
177
связанная с тем, что не учитывалось провисание потенциала в пучке, максимальна при измерениях энергии электронов, обладающих высокими скоростями.
По представленным на рис. 4 а характеристикам видно, что важной особенностью исследуемой ЛБВ является широкий спектр энергий электронов в отработанном электронном потоке, причём большая ширина спектра сохраняется при изменении ^Э в широких пределах от уровня насыщения.
На рис. 4 б показаны амплитудные зависимости л, рассчитанные по результатам измерения выходной мощности и экспериментальным данным, приведённым на рис. 4 а. Расчёты л выполнены для 4 вариантов рекуперации при условии идеальной сортировки электронов по секциям коллектора в соответствии с их энергиями. Представленные на рис. 4 б значения КПД соответствуют следующим режимам рекуперации энергии электронов: Ц1И1 - одноступенчатая рекуперация при напряжении на коллекторе, выбранном по минимальной энергии электронов в режиме максимального ^Э; (3 кВ) Ц1И2
- одноступенчатая рекуперация при напряжениях на коллекторе, выбранных по минимальным энергиям электронов в каждом режиме от ЪРВЫХ = 0 до ЪРВЫХ = -15 дБ; Ц4И1
- четырёхступенчатая рекуперация при напряжениях на секциях коллектора, выбранных
оптимальными по спектру энергий в режиме ЪРВЫХ = 0; Ц4И2 - четырёхступенчатая рекуперация при напряжениях на секциях коллектора, выбранных оптимальными по спектру энергий в каждом режиме от ЪРВЫХ = 0 до
&РВыХ = -15 дБ. Для сравнения на рисунке приведены экспериментальные значения ^Э.
Представленные на рис. 4 б амплитудные зависимости позволяют сделать следующие выводы.
Одноступенчатая рекуперация при напряжении на коллекторе, выбранном по минимальной энергии электронов в режиме максимального ^э, в исследуемой ЛБВ в режиме ЪРВЫХ = 0 позволяет увеличить л до 50%. В других режимах эффективность такой одноступенчатой рекуперации падает так, что в линейном режиме п по своим значениям приближается к ^Э. Эффективность одноступенчатой рекуперации значительно увеличивается в линейном режиме при напряжениях на коллекторе, выбранных по минимальным энергиям электронов, соответствующим этому режиму, при этом п в линейном режиме может превышать пЭ в 2-3 раза.
При четырёхступенчатой рекуперации энергии электронов, оптимальной для режима максимальной выходной мощности, п исследуемой ЛБВ в этом режиме может превышать пЭ почти в 2 раза и достигать 72%. В линейном режиме работы, при таком варианте рекуперации, п может превышать пЭ в 4-5 раз.
За счёт оптимизации режимов четырёхступенчатой рекуперации энергии электронов по спектру энергий электронов в каждой точке амплитудной характеристики, п этих же ЛБВ в режимах с пониженным уровнем выходной мощности существенно увеличивается. В линейном режиме такое увеличение п достигает максимальных значений
- в 2-3 раза, до 18-36%. При этом п может быть больше пЭ в 10-15 раз.
Показанные на рис. 4 б значения п, для исследуемой ЛБВ являются предельно достижимыми при идеальной сортировке электронов в коллекторе. Эффективность рекуперации энергии электронов в реальном коллекторе оказывается ниже из-за наличия вторичной электронной эмиссии с поверхности электродов коллектора и несовершенства электронно-оптической системы коллектора.
В коллекторе исследуемой ЛБВ используются малогабаритные электроды-токоприёмники с уровнем вторичной электронной эмиссии с поверхности больше 1. На рис. 5 а показаны л, полученные в результате измерения параметров ЛБВ с реальным коллектором. На этом рисунке "Пи - соответствует одноступенчатой рекуперации при напряжениях на коллекторе, выбранных по минимальным энергиям электронов в каждом режиме от ЪРВЫХ = 0 до ЪРВЫХ = -15 дБ; - соответствует четырёхступенчатой
рекуперации при напряжениях на секциях коллектора, выбранных оптимальными по
спектру энергий в режиме ЪРВЫХ = 0; ^4,2 - соответствует четырёхступенчатой
рекуперации при напряжениях на секциях коллектора, выбранных оптимальными по спектру энергий в каждом режиме от ЪРВЫХ = 0 до ЪРВЫХ = -15 дБ.
При четырёхступенчатой рекуперации значения п оказываются существенно ниже по сравнению с представленными на рис. 4 б, особенно в линейном режиме. При напряжениях на секциях коллектора, выбранных по данным измерения энергий электронов (см. рис. 4 а), из-за вторичной электронной эмиссии и несовершенства электронной оптики, ток первого электрода коллектора увеличиваются за счёт уменьшения токов следующих за ним электродов, часть тока электронного потока возвращается из коллектора в ЗС. Для иллюстрации такого перераспределения токов, в таблице приведены токи электродов исследуемой ЛБВ измеренные в режиме 5РВыХ = 0 и рассчитанные для этого режима по данным, представленным на рис. 4 а.
Электроды ЗС Коллектор 1 Коллектор 2 Коллектор 3 Коллектор 4
Ток электрода (рассчитанный), мА 0 11,6 14,3 8,3 5,6
Ток электрода (измеренный), мА 1,8 17 11,4 6,0 3,6
Значения п при одноступенчатой рекуперации хорошо совпадают с рассчитанными по данным рис. 4 а. Это связано с тем, что в случае одноступенчатой рекуперации отсутствует эффект перераспределения токов между секциями коллектора.
На рис. 5 б приведены экспериментальные значения пзс ЛБВ, реальных и предельных значений пк.
Рис. 5 а. Экспериментальные зависимости КПД ЛБВ от уровня выходного сигнала:
-+- - Ц1,2; -*■- - Л4,1; -к- - лп4,2
Рис. 5 б. Экспериментальные зависимости КПД ЗС и коллектора от уровня выходного сигнала:
-▲ ЦЗС; ^ Цк1,2; -^- - Цк4,1;
-к Цк4,2; -■ Цк4и1; -* Цк4и2
Представленные на рис. 5 б значения КПД коллектора соответствуют следующим режимам рекуперации энергии электронов: ЦК1,2 - одноступенчатая рекуперация в реальном коллекторе при напряжениях на коллекторе, выбранных по минимальным энергиям электронов в каждом режиме от ЪРВЫХ = 0 до 5РВыХ = -15 дБ; пК4д -четырёхступенчатая рекуперация в реальном коллекторе при напряжениях на секциях коллектора, выбранных оптимальными по спектру энергий в режиме ЪРВЫХ = 0; пК4,2 -четырёхступенчатая рекуперация в реальном коллекторе при напряжениях на секциях коллектора, выбранных оптимальными по спектру энергий в каждом режиме от ЪРВЫХ = 0 до ЪРВЫХ = -15 дБ; пК4И1 - четырёхступенчатая рекуперация в идеальном коллекторе при напряжениях на секциях коллектора, выбранных оптимальными по спектру энергий (см.
рисунок 4а) в режиме ЬРВЫХ = 0; пК4И2 - четырёхступенчатая рекуперация в идеальном коллекторе при напряжениях на секциях коллектора, выбранных оптимальными по спектру энергий (см. рис. 4 а) в каждом режиме от ЪРВЫХ = 0 до ЪРВЫХ = -15 дБ. Идеальным коллектором здесь считается коллектор, обеспечивающий идеальную сортировку электронов по электродам коллектора в соответствии со спектром их энергий.
Как видно на рисунке, ЦзС принимает максимальное значение в режиме ЪРВЫХ = 0 и сохраняет высокое значение до ЪРВЫХ = -3 дБ. Падение пЗС в других режимах можно объяснить ростом удельных потерь СВЧ-мощности из-за смещения точки насыщения по ПЭ в сторону входа ЛБВ.
При всех изменениях ЪРВЫХ от ЪРВЫХ = 0 до ЪРВЫХ = -15 дБ пК4,1 и пК4И1 изменяются мало, а значения пК4,2 и пк4И2 заметно увеличиваются в линейном режиме. Характер изменения Пк1,2 говорит о том, что пК особенно сильно зависит от величины минимальной энергии в спектре энергий электронов. Сильная зависимость пК от величины минимальной энергии в спектре энергий электронов сохраняется и при многоступенчатой рекуперации энергии электронного потока. Поэтому при оптимизации пространства взаимодействия ЛБВ следует стремиться к увеличению минимальных энергий в спектре энергий электронов на выходе из пространства взаимодействия.
Из данных, приведённых на рис. 4 б-5 б, следует, что только за счёт улучшения конструкции коллектора исследуемой ЛБВ её п в режимах от ЪРВЫХ = 0 до ЪРВЫХ = -15 дБ может быть увеличено на 10-15% по абсолютной величине.
Заключение. Представленные результаты расчётов и измерений параметров пространства взаимодействия и коллектора спиральной ЛБВ с большим пЭ и широким спектром энергий электронов позволяют сделать вывод о возможности увеличения КПД ЛБВ в слабонелинейном режиме в 2-3 раза за счёт оптимизации режима рекуперации энергии электронов в коллекторе. В составе усилителя СВЧ-мощности это может достигаться за счёт отслеживания режимов работы ЛБВ по уровню выходной мощности или уровню энергий в электронном потоке и управления выходными параметрами вторичного источника питания в соответствии с этими режимами.
Показано, что параметры пространства взаимодействия спиральной ЛБВ с большим пЭ обеспечивают увеличение КПД ЛБВ до 72% в режиме максимальной выходной мощности и до 18-36% в линейном режиме.
Установлено, что КПД коллектора возрастает при уменьшении пЭ в результате перехода к линейному режиму работы ЛБВ и достигает максимальных значений в линейном режиме. При идеальной сортировке электронов по энергиям, КПД коллектора в линейном режиме работы ЛБВ может превышать 97% при четырёхступенчатой рекуперации и 78% при одноступенчатой рекуперации. Основной причиной такого роста КПД коллектора является увеличение минимальных энергий электронов при снижении ширины спектра их энергий.
Показано, что пЗС ЛБВ существенно уменьшается в режиме за насыщением и в линейном режиме. Такое изменение пЗС объясняется ростом удельных потерь СВЧ-мощности из-за смещения точки насыщения по пЭ в сторону входа ЛБВ.
Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что КПД коллектора исследованного образца ЛБВ, при четырёхступенчатой рекуперации энергии электронов, ниже предельно достижимого как в режиме максимальной выходной мощности, так и в линейном режиме на 10-15% по абсолютной величине. Отсюда следует, что КПД ЛБВ может быть существенно увеличен за счёт улучшения конструкции коллектора.
ЛИТЕРАТУРА
1. Шалаев П. Д. Об анализе направлений повышения КПД ЛБВ / П. Д. Шалаев // Актуальные проблемы электронного приборостроения. АПЭП-2006: материалы
Междунар. науч.-техн. конф. Саратов: СГТУ, 2006. С. 120-127.
2. Шалаев П. Д. Результаты разработки бортовой спиральной ЛБВ средней мощности в четырехсантиметровом диапазоне с КПД более 60% / П.Д. Шалаев // Электронные приборы и устройства СВЧ: тез. докл. науч.-техн. конф. Саратов: ФГУП НПП «Алмаз», 2001. С. 7-8.
3. Финкельштейн Ю.Х. Программа расчёта дисперсии, сопротивления связи и затухания спиральной замедляющей системы / Ю.Х. Финкельштейн, Т.Н. Антонова // Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ. 1990. Вып. 9. С. 70.
4. Амиров В.Р. Программа расчёта выходных характеристик ЛБВ с неоднородными
по длине ЗС в диалоговом режиме / В.Р. Амиров, Ю.А. Калинин, |А.Ф. Панин и др. // Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ. 1985. Вып. 4. С. 70-71.
5. Kosmahl H.G. How to quickly predict the overall TWT and the multistage depressed collector efficiency / H.G. Kosmahl // IEEE Trans. Electron Devices. 1980. Vol. ED-27. № 3. P. 526-529.
Шалаев Павел Данилович -
заместитель начальника отдела ФГУП «НПП «Алмаз», г. Саратов
Симонов Дмитрий Лазаросович -
аспирант кафедры
«Электронные приборы и устройства» Саратовского государственного технического университета
Статья поступила в редакцию 12.05.10, принята к
Shalayev Pavel Danilovich -
Deputy Head of the Department of FSUE «Almaz», Saratov
Simonov Dmitriy Lazarosovich -
Post-graduate Student of the Department of «Electronic Tools and Devices» of Saratov State Technical University
опубликованию 23.11.10
