Повышение фазовой стабильности сигнала в лампе бегущей волны Кудряшов Александр Геннадиевич

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Несинхронные режимы взаимодействия электронного потока с бегущей электромагнитной волной и их применение для улучшения характеристик ЛБВ

1.1 Несинхронные режимы работы ЛБВ 12

1.2 Теоретическое исследование возможностей применения участка с несинхронным режимом в пространстве взаимодействия ЛБВ для понижения фазовой чувствительности 13

1.3 Выбор конструкции пространства взаимодействия 22

1.4 Методология проектирования фазостабильной ЛБВ 29

1.5 Другие возможности улучшения характеристик ЛБВ за счет несинхронного взаимодействия 32

1.6 Выводы 38

Глава 2. Разработка и исследование характеристик фазостабильных ЛБВ

2.1 Прототип и схема пространства взаимодействия опытных образцов фазостабильной ЛБВ 39

2.2 Выбор параметров пространства взаимодействия 40

2.3 Экспериментальное исследование характеристик фазостабильной ЛБВ с участком крестатронного режима 48

2.4 Экспериментальное исследование характеристик фазостабильной ЛБВ с участком подавления 54

2.5 Выводы 63

Глава 3. Исследование модуляционных шумов и внеполосных колебаний в усилителях на фазостабильных ЛБВ

3.1 Критерии оценки эффективности применения фазостабильных ЛБВ в СВЧ-2

усилителях 65

3.2 Модуляционные характеристики фазостабильных ЛБВ 66

3.3 Исследование модуляционных колебаний в усилителях на фазостабильных ЛБВ 77

3.4 Спектры импульсных радиосигналов фазостабильных ЛБВ 88

3.5 Выводы 92

Заключение 93

Список литературы

• Теоретическое исследование возможностей применения участка с несинхронным режимом в пространстве взаимодействия ЛБВ для понижения фазовой чувствительности
• Методология проектирования фазостабильной ЛБВ
• Выбор параметров пространства взаимодействия
• Модуляционные характеристики фазостабильных ЛБВ

Введение к работе

Актуальность

Лампа бегущей волны (ЛБВ) является одним из наиболее распространенных СВЧ-приборов. Уже многие десятилетия она лидирует на мировом рынке вакуумной СВЧ-электроники, достигая 70% и более от общего объма продаж. Характеристики современных ЛБВ во многом уникальны: КПД до 75% и время непрерывной работы свыше 15-20 лет в бортовых космических приборах, ширина полосы до двух октав и более в ЛБВ для систем радиоэлектронной борьбы (РЭБ), выходная мощность несколько сотен киловатт в приборах для РЛС, обеспечение самых жестких требований по механическим и климатическим воздействиям; все это позволяет использовать приборы в самых разнообразных и, прежде всего, военных системах радиоэлектроники. Большой вклад в развитие теории и техники ЛБВ внесли как зарубежные (Р. Компфнер, Дж. Пирс, И.Е. Роу, Л. Клемпит, А.С. Гилмор), так и отечественные (Л.А. Вайнштейн, В.Т. Овчаров, В.А. Солнцев, Н.М. Советов, А.С. Победоносцев, А.М. Кац, Д.И Трубецков, В.П. Кудряшов, Б.К. Сивяков, И.А. Манькин, Д.Д. Милютин) и многие другие ученые. Характеристики приборов постоянно совершенствуются и в настоящее время.

Однако наряду с многочисленными достоинствами ЛБВ присущ и
серьезный недостаток – высокая чувствительность фазы выходного
сигнала к изменению напряжения электронного пучка, что обусловлено
самим принципом длительного и, следовательно, протяженного (на
большой длине) нерезонансного взаимодействия. Это приводит к
повышенному уровню модуляционных шумов в усилителях на основе ЛБВ
и, как следствие, к снижению важнейших тактико-технических
характеристик аппаратуры, прежде всего, при использовании в
радиолокационных системах (РЛС). Ограничивается возможность

использования ЛБВ и в некоторых других радиоэлектронных системах, а также снижается ее конкурентоспособность с усилителями на твердом теле. Несмотря на более чем семидесятилетнюю историю развития ЛБВ, этот недостаток не устранен, и при конструировании усилителей в основном применяются схемотехнические решения в источниках питания, направленные на уменьшение уровня пульсаций, прежде всего, напряжения замедляющей системы (ЗС). Известный метод использования разнополярных зависимостей фазы выходного сигнала от напряжения и тока пучка, во-первых, нельзя использовать в источниках питания ЛБВ, не имеющих отдельного электрода, управляющего током пучка, и, во-вторых, он приводит к резкому увеличению амплитудных модуляционных шумов.

В условиях постоянно растущих требований к качеству спектра
выходного сигнала радиопередающих СВЧ-устройств задача

кардинального уменьшения фазовой чувствительности выходного сигнала

ЛБВ к изменению напряжения источников питания представляется одной из наиболее актуальных в современной вакуумной СВЧ-электронике. Степень разработанности темы исследования

Вопросам создания ЛБВ с малой фазовой чувствительностью к
изменению напряжений источников питания посвящено ограниченное
число работ, и объм теоретических и экспериментальных исследований в
них представляется явно недостаточным. Впервые в работе [1] для
создания ЛБВ с практически нулевой фазовой чувствительностью в
определенном интервале изменения напряжения электронного пучка было
предложено использование секций несинхронного взаимодействия, однако
предложенные в этой работе варианты построения таких приборов до
настоящего времени не нашли полноценной теоретической и

экспериментальной проверки. Осложняло работу то обстоятельство, что в работе [1] все расчеты были сделаны для ЛБВ без локального поглотителя, который в приборе с высоким коэффициентом усиления, безусловно, необходим для обеспечения стабильной работы прибора.

В патенте [2], предложенном в развитие работы [1], локальный
поглотитель учитывался, однако отсутствовали сведения о ширине интервала
изменения напряжения пучка, в котором наблюдается стабилизация фазы,
что чрезвычайно важно для практического применения ЛБВ. В результате к
моменту начала выполнения данной работы отсутствовали как

экспериментальные образцы приборов с близкой к нулевой фазовой чувствительностью, так и проверенная методология их проектирования.

В настоящее время математический аппарат и существующие теории
взаимодействия в ЛБВ позволяют провести полноценные исследования
всех особенностей построения таких приборов. Существующее

современное метрологическое обеспечение позволяет также провести все необходимые измерения экспериментальных приборов с требуемой точностью.

Целью диссертационной работы является повышение фазовой стабильности сигнала в ЛБВ и создание экспериментальных образцов прибора (получившего название фазостабильной ЛБВ), обладающего минимальной (близкой к нулевой) фазовой чувствительностью сигнала в определенном интервале изменения напряжения пучка.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие научные и практические задачи:

1. Теоретически исследовались характеристики несинхронного взаимодействия электромагнитной волны с электронным потоком применительно к проблеме создания фазостабильных приборов, а также к некоторым другим задачам улучшения характеристик ЛБВ различного назначения.

2. Проводился анализ возможных конструкций фазостабильной ЛБВ, определялись наиболее перспективные для практического использования

варианты построения пространства взаимодействия и разрабатывалась методология их проектирования.

3. Выполнялись расчеты, проектирование и изготовление экспериментальных образцов двух разновидностей фазостабильной ЛБВ (с участками подавления сигнала и крестатронного режима в секции компенсации) на основе серийно выпускаемого прибора.

4. Теоретически и экспериментально исследовались характеристики фазостабильных ЛБВ различной конструкции, проводилось их сопоставление по важнейшим параметрам и сравнение с обычными нефазостабильными приборами. Рассматривались возможности совершенствования основных характеристик фазостабильных ЛБВ.

5. Проводилась расчеты и измерения модуляционных колебаний и спектра выходного импульсно-модулированного СВЧ-сигнала в импульсных усилителях на фазостабильных приборах и их сравнение с усилителями на обычных ЛБВ.

Научная новизна работы состоит в том, что впервые:

1. Теоретически и экспериментально показана возможность практического создания ЛБВ с высоким (25…30 дБ и более) коэффициентом усиления и минимально возможной (близкой к нулевой) фазовой чувствительностью к изменению напряжения и тока пучка за счт применения во входной секции прибора участка несинхронного взаимодействия.

2. Разработана методология проектирования фазостабильных ЛБВ различной конструкции, включающая аналитические соотношения для определения параметров ключевого элемента таких приборов – компенсирующей секции.

3. Показано, что в зависимости от конструкции компенсирующей секции (с участком подавления сигнала или участком крестатронного режима) фазостабильные ЛБВ имеют существенно различные технические характеристики (прежде всего, модуляционные и частотные), что необходимо учитывать при использовании таких приборов в радиоэлектронной аппаратуре.

4. Теоретически и экспериментально показано, что применение в усилителях СВЧ-фазостабильных ЛБВ позволяет снизить уровень модуляционных шумов на 10-15 дБ и более, а также улучшить спектр выходного радиосигнала в режиме импульсной модуляции.

Практическая значимость работы:

5. Предложенные конструкции и методология их проектирования являются основой для разработки новой разновидности СВЧ-прибора – фазостабильной ЛБВ, обладающей малой (близкой к нулевой) чувствительностью фазы выходного сигнала к изменению напряжения и тока электронного пучка.

6. По результатам исследований и в соответствии с проведенными расчетами в АО «НПП Алмаз» были разработаны два типа фазостабильной

ЛБВ (с участком крестатронного режима и участком подавления сигнала), которые подтвердили заданные параметры и будут использованы при создании СВЧ-усилителей для РЛС.

3. При разработке СВЧ-усилителей для радиоэлектронных систем различного назначения целесообразно применять схемы построения с использованием фазостабильных ЛБВ как элемента, обеспечивающего более высокое качество выходного сигнала.

Методология и методы исследования. При проведении

теоретических исследований применялись известные методы расчета взаимодействия электромагнитной волны с электронным потоком по линейной теории ЛБВ, по одномерной нелинейной теории ЛБВ, по программе SIGNAL разработки СГТУ имени Гагарина Ю.А., широко использовалась аппроксимация полученных расчетных зависимостей. Экспериментальные исследования проводились с использованием стандартизованных методик измерения и на аттестованном оборудовании.

Положения, выносимые на защиту

7. Применение участков несинхронного взаимодействия во входной секции ЛБВ позволяет достичь резкого (вплоть до нулевых значений) уменьшения чувствительности фазы выходного сигнала в 3-7% интервале изменения напряжения электронного пучка.

8. Доказано, что наилучшие характеристики фазостабильных ЛБВ достигаются, когда компенсирующая секция состоит из последовательно соединенных участков несинхронного и усилительного режимов.

9. Установлено, что в фазостабильной ЛБВ с участком несинхронного крестатронного режима обеспечиваются бльшие значения коэффициента усиления (при фиксированной длине прибора) или меньшая длина (при заданном коэффициенте усиления) и меньшая критичность основных параметров к точности изготовления элементов компенсирующей секции, чем в ЛБВ с несинхронным участком подавления. Фазостабильная ЛБВ с участком подавления характеризуется большим интервалом напряжения пучка, в котором наблюдается стабилизация фазы.

10. Наиболее широкая полоса рабочих частот (до 10% и более) в фазостабильной ЛБВ с участком подавления достигается при нормальной дисперсии замедляющей системы на этом участке, а в ЛБВ с крестатронным участком – при аномальной дисперсии.

11. Фазостабильные ЛБВ позволяют снизить уровень модуляционных колебаний (шумов) на 10-15 дБ и более, а также улучшить спектр импульсного выходного радиосигнала СВЧ-усилителей.

Степень достоверности и апробация результатов. Теории и
применяемые методы расчета являются широко используемыми при
проектировании ЛБВ на предприятиях радиоэлектронного комплекса РФ,
прошли многолетнюю проверку и обеспечивают необходимую

достоверность результатов. При проведении измерений

экспериментальных образцов применялись стандартизованные методы

измерения электрических параметров ЛБВ и аттестованное оборудование. Данные расчетов и экспериментов хорошо согласуются между собой.

Теоретические и практические результаты работы обсуждались на семинарах кафедры «Электротехника и электроника» Энергетического факультета ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» и на следующих научно-технических конференциях и семинарах:

12. Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения, АПЭП – 2014» (Саратов, 2014).

13. Международной научно-технической конференции «Математические методы в технике и технологиях (ММТТ-27)» (Саратов, 2014).

14. Международной зимней школе-семинаре по радиофизике и электронике сверхвысоких частот «Современные проблемы электроники СВЧ и ТГц диапазонов» (Саратов, 2015).

15. Международной научно-технической конференции «Математические методы в технике и технологиях (ММТТ-28)», (Саратов, 2015).

16. Шестнадцатой Международной конференции по вакуумной электронике «IVEC-2015» (Пекин, КНР, 2015).

Публикации. По материалам диссертационного исследования

опубликовано 9 печатных работ, из них 3 статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ.

Личный вклад автора заключается в следующем:

17. Определены цель, задачи, методы и средства исследований.

18. Принималось непосредственное участие в проведении расчетов и измерении приборов.

19. Выполнялся анализ полученных результатов и необходимая корректировка в проведении исследований.

20. Предложен вариант практической реализации фазостабильной ЛБВ на базе серийно выпускаемого изделия.

21. Сформулирована методология проектирования новой разновидности СВЧ-прибора – фазостабильной ЛБВ.

Структура и объм работы. Диссертационная работа состоит из введения, трх глав и заключения. Диссертационная работа содержит 101 страницу, 42 рисунка и 7 таблиц. Список литературы состоит из 50 наименований.

Теоретическое исследование возможностей применения участка с несинхронным режимом в пространстве взаимодействия ЛБВ для понижения фазовой чувствительности

В отличие от работы [23], под несинхронными режимами взаимодействия электронного потока с бегущей электромагнитной волной в ЛБВ далее будут подразумеваться режимы при больших положительных и отрицательных значениях параметра несинхронности, при которых отсутствует экспоненциальное усиление входного сигнала и которые непосредственно примыкают к зоне усиления. Исследованию этих режимов посвящено достаточно большое количество работ, поскольку они обладают рядом специфических свойств.

Так, при отрицательных значениях параметра несинхронности на определенной длине прибора может наблюдаться режим полного подавления сигнала (Kompfner-Dip Condition [24,25]), который используется для определения электродинамических параметров замедляющих систем [26]. В работе [27,28] было предложено использовать режим подавления сигнала для создания разнообразных конструкций ЛБВ-вентиля, которые позволяют осуществить широкополосную развязку по отраженному от нагрузки (или следующего усилительного каскада) сигналу.

Работа при больших положительных значениях параметра несинхронности (крестатронный режим) позволяет получить в ЛБВ без поглощающей вставки повышенные значения коэффициента полезного действия (КПД) [29], что было положено в основу проектирования высокоэффективных многорежимных двухкаскадных СВЧ-усилителей [23].

Применению несинхронного взаимодействия для улучшения фазовых характеристик ЛБВ с высоким (более 25 – 30 дБ) коэффициентом усиления посвящено несколько работ [16…19], в развитие которых были выполнены теоретические исследования, приведенные в настоящей главе. При этом их анализ проводится, прежде всего, с позиции оценки возможностей использования для создания ЛБВ с малой чувствительностью фазы выходного сигнала к изменению напряжения электронного пучка.

Кратко будут рассмотрены и некоторые другие возможности использования несинхронных режимов для улучшения характеристик ЛБВ.

В отличие от основополагающей работы [16], при выполнении настоящих исследований проводились расчеты амплитуды и фазы не только СВЧ-поля, но и первой гармоники тока. С учётом специфики использования результатов расчёта изучались характеристики для «прозрачной» (без локального поглотителя) ЛБВ в более широком, чем это обычно принято [20,21,23], диапазоне изменения параметра несинхронности. круговая частота сигнала, с 1. Таким образом, в расчётах будут фиксироваться только те значения фазы сигналов, которые обусловлены взаимодействием в ЛБВ. Зависимости модуля Ку и фазы q коэффициента усиления, а также модуляї и фазы \/ тока от параметра несинхронности b при С=0,1, q=l,0, 0=2,3 Из приведённых зависимостей видно, что обе зоны несинхронного взаимодействия (при больших положительных и при отрицательных значениях параметра несинхронности) характеризуются аномальными (имеющими противоположный знак относительно усилительного режима) зависимостями фазы от параметра несинхронности и, следовательно, напряжения пучка. Кроме этого можно подобрать режимы работы так, чтобы и зависимость амплитуды сигнала в несинхронной секции была противоположной усилительному режиму.

Очевидно, что цепочка из двух ЛБВ («прозрачная» ЛБВ в несинхронном режиме-усилительная ЛБВ) может обладать незначительной амплитудной и фазовой чувствительностью, и столь же очевидно, что такое устройство громоздко, дорого и не имеет практической перспективы, что и было отмечено в работе [16].

Поэтому целесообразно рассматривать только варианты конструкции многосекционной ЛБВ [30...34], в которых одна из секций реализует режим несинхронного взаимодействия и, за счет аномальности фазовых характеристик, компенсирует высокую фазовую чувствительность сигнала к изменению напряжения пучка в усилительных секциях. При этом очевидно, что такая компенсация возможна только в некотором интервале изменения напряжения, за границами которого такой прибор может незначительно отличаться от обычной ЛБВ. Проще всего такую секцию располагать во входной части ЛБВ, и тогда, учитывая, что ВЧ-информацию содержит как поле, так и сгруппированный ток, можно предложить три варианта конструкции ЛБВ, схематично изображенных на рисунке 1.2.

Первый вариант базируется на том, что информация, в том числе и аномальная фазовая характеристика, содержится в сгруппированном токе пучка и сохраняется после прохождения секции локального поглотителя и затем передаётся ВЧ-полю замедляющей системы.

Во втором варианте, представляющем собой уже комплексированное устройство, за основу взята информация, которую имеется в ВЧ-поле. Для обеспечения работоспособности такого усилителя в конструкции ЛБВ необходимо иметь выводы ВЧ-сигнала до и после локального поглотителя и дополнительный невзаимный усилитель СВЧ-сигнала, что делает такую схему сложной для практической реализации. Третий вариант, как и первый, не представляет трудности для практического исполнения; в нем используется информация, содержащаяся как в ВЧ-поле, так и в сгруппированном токе. Эффективность каждой схемы может быть определена только после изучения амплитудных и фазовых характеристик ЛБВ внесинхронных режимах работы.

Методология проектирования фазостабильной ЛБВ

При определении методологии проектирования фазостабильной ЛБВ в соответствие с полученными результатами можно исходить из предположения, что компенсирующая и усилительная секции характеризуются одинаковой фазовой чувствительностью, но имеют противоположные знаки в определенном интервале напряжений пучка. В результате взаимной компенсации фазовых характеристик на выходе прибора обеспечивается нулевая фазовая чувствительность. Таким образом, порядок расчета может быть следующим. На первом этапе рассчитывается ЛБВ классической конструкции с необходимыми характеристиками коэффициента усиления, мощности и КПД в заданном диапазоне частот. Для оптимального варианта прибора фиксируются значения амплитуд поля и первой гармоники тока на входе в секцию локального поглотителя.

На втором этапе идет определение параметров компенсирующей секции. Несмотря на кардинальные отличие характеристик фазостабильного прибора от традиционной ЛБВ, конструкция компенсирующей секции может быть достаточно простой. Например, в спиральной ЛБВ можно ограничиться только корректировкой шага спирали на входном участке ЛБВ, увеличивая или уменьшая его для реализации выбранного несинхронного режима. Предварительно можно указать только ориентировочные пределы параметров, в границах которых необходимо вести поиск оптимального варианта.

Наиболее просто определить безразмерную длину усилительного участка компенсирующей секции. Из работы [4] следует, что если на входе усилительной секции имеются не соответствующие данному усилительному режиму значения тока и поля, то на безразмерной длине, равной =1,2…1,5 достигается их сбалансированность для последующего экспоненциального нарастания в линейном режиме.

Несмотря на отсутствие строгого доказательства этого утверждения, оно хорошо согласуется с результатами расчетов, в частности для конструкции, характеристики которой приведены на рисунке 1.9. Это подтверждают представленные на рисунке 1.11 зависимости максимальных значений общего фазового сдвига аномальной характеристики и фазовой чувствительности к изменению напряжения пучка от длины пространства взаимодействия. Примечательно, что суммарное усиление сигнала в секции компенсации практически отсутствует.

Выбор параметров остальных участков и секций пространства взаимодействия можно вести как для обычной (нефазостабильной) ЛБВ. В частности, для большей эффективности шаг спирали усилительного участка должен обеспечивать максимум первой гармоники тока на входе в секцию локального поглотителя.

Известно [4,21,33], что условия максимального удельного усиления и амплитуды первой гармоники тока не совпадают, и приближённые значения параметров и режимов работы ЛБВ, обеспечивающие эти условия могут быть найдены с помощью известных соотношений, полученных непосредственно из линейной теории ЛБВ [21] и аппроксимации результатов расчета [35]: im« = 0,87 + 0,045 7 - 0,3271n(/ + q), аг = 0,0825 + 0Д331п(/ + q),b0=Jq. Подставив в формулу для первой гармоники тока значение амплитуды поля и исследуя соотношение на экстремум, получим достаточно простое, но громоздкое уравнение:

Его численные решения для различных величин безразмерной длины и параметра пространственного заряда q представлены в таблице 1.

Следует отметить, что для упрощения конструкции реальной ЛБВ это значение может быть выбрано и для усилительного участка в секции компенсации.

Для определения шага спирали, обеспечивающего крестатронный режим работы, можно воспользоваться соотношениями, приведенными в работе [36]: Одной из наиболее сложных и первостепенных задач при разработке мощных спиральных ЛБВ является устранение самовозбуждения на минус первой пространственной гармонике (далее – обратной гармонике). Имеется большой перечень методов и средств для её решения, изложенных в монографиях [4,19,23] и статьях, однако при практических разработках поиск оптимального варианта конструкции, устойчивой к самовозбуждению, по-прежнему актуален.

Более того, как было отмечено в работе [4], даже в стабильных к самовозбуждению на обратной волне широкополосных ЛБВ наблюдаются острые локальные провалы выходной мощности и КПД на частотах, в кратное число раз меньших частоты обратной гармоники. Там же было высказано предположение, что это обстоятельство обусловлено механизмом ЛОВ-усиления отраженных от вывода энергии и выходного СВЧ-тракта сигналов высших гармоник. Об этом упоминается и в более поздней работе [23], а впоследствии это было неоднократно подтверждено экспериментально.

В качестве иллюстрации на рисунке 1.12 приведены частотные зависимости выходной мощности и коэффициента усиления мощной широкополосной ЛБВ, предоставленные специалистами отдела сверхширокополосных ЛБВ АО «НПП «Алмаз».

Выбор параметров пространства взаимодействия

В полной мере эффективность применения фазостабильных ЛБВ в СВЧ-усилителях может быть определена, если в качестве главных критериев будут использованы параметры, являющиеся основными и в радиоэлектронной аппаратуре в целом. Так в РЛС одними из важнейших являются требования минимального уровня модуляционных шумов (флуктуаций) и внеполосных колебаний импульсно-модулированного сигнала [4,5,23]. Анализ этих параметров применительно к системе «фазостабильная ЛБВ-испытательный стенд», частично имитирующей условия, свойственные штатному источнику питания, далее будет проведен для первых экспериментальных образцов фазостабильных ЛБВ [46], проектирование, изготовление и основные характеристики которых были рассмотрены во второй главе. Как и в предыдущих разделах будет проводиться сопоставление расчетных и измеренных характеристик двух конструкций фазостабильных ЛБВ (с участком подавления сигнала и участком крестатронного режима в секции компенсации соответственно), сравнение их параметров с параметрами базового прибора и его модификации с уменьшенным коэффициентом усиления.

Для проведения количественных оценок составляющих спектра выходного сигнала необходимо знать частотное распределение и уровень флуктуаций источников питания, параметры модулирующего импульса (при рассмотрении внеполосных колебаний) и соответствующие модуляционные характеристики ЛБВ. 3.2 Модуляционные характеристики фазостабильных ЛБВ

Общее определение модуляционных характеристик усилителя включает в себя зависимости амплитуды и фазы выходного сигнала от уровня любых внешних воздействий (электрических, механических, климатических и других), однако в соответствии со спецификой выполняемой работы целесообразно рассматривать только электрические характеристики, учитывая при этом особенности конструкции и схему питания электродов ЛБВ.

Базовый прибор и экспериментальные образцы на его основе имели типичную для современных импульсных ЛБВ систему электродов: подогреватель катода, катод, управляющая и теневая (соединённая с катодом) сетки и коллектор, а испытательный стенд обеспечивал независимое электропитание каждого электрода (рисунок 3.1).

Импульсный режим работы осуществлялся путем модуляции по напряжению управляющей сетки. Выполненные ранее в составе штатной аппаратуры измерения показали, что подогреватель катода и коллектор сконструированы таким образом, что их влиянием (в номинальном режиме работы) на структуру электронного пучка и, следовательно, на уровень флуктуаций в спектре выходного сигнала можно пренебречь.

Таким образом, для оценки уровня составляющих спектра выходного сигнала достаточно знать зависимости мощности и фазы ЛБВ от напряжения и тока пучка (или напряжения превышения на управляющей сетке), а также уровня входного сигнала. При этом для расчета модуляционных колебаний достаточна только информация о крутизне (чувствительности) этих зависимостей, в то время как внеполосные колебания зависят от характера модуляционных характеристик в широком диапазоне изменения параметров выходного сигнала и модулирующего напряжения [47,48].

Следует отметить, что интерес представляют как конкретные величины исследуемых параметров, так и их отличие в приборах различной конструкции, поскольку главным итогом работы предполагается не только нахождение практически реализуемых рекомендаций по проектированию новой разновидности СВЧ-прибора – фазостабильной ЛБВ, но и оценки её эффективности в зависимости от выбранной конструкции, в сравнении с обычными приборами и нефазостабильным аналогом с близким значением коэффициента усиления.

Как и следовало ожидать и расчеты, и измерения подтвердили высокую идентичность зависимостей фазы и амплитуды выходного сигнала от входной мощности для всех четырех конструкций, поскольку эффект фазовой стабилизации достигается за счёт специфики взаимодействия во входной секции, работающей в линейном режиме. Это иллюстрируют приведённые на рисунке 3.2 расчётные зависимости фазы и коэффициента усиления ЛБВ с крестатронным участком в секции компенсации и базового прибора. Небольшие отличия в фазоамплитудных характеристиках обусловливаются, по-видимому, различными значениями коэффициента усиления в исследуемых приборах: чем он меньше (в определенных пределах), тем выше КПД и величина фазового сдвига, что характерно и для обычных ЛБВ.

Идентичность амплитудных характеристик даёт все основания считать, что фазостабильные приборы будут такими же эффективными в решении задачи по уменьшению амплитудных флуктуаций, содержащихся во входном сигнале, как и ЛБВ традиционной конструкции. Очевидно также, что при этом остаётся необходимость учёта эффекта преобразования амплитудной модуляции в фазовую.

Рисунок 3.2 – Расчетные зависимости коэффициента усиления (Ку), КПД (э) и фазы выходного сигнала () от входной мощности (Рвх) базового прибора (1) и фазостабильной ЛБВ с крестатронным участком (2) (Pвх=0 дБ соответствует режиму насыщения выходной мощности) Зависимости фазы и мощности выходного сигнала от напряжения электронного пучка были подробно рассмотрены в предыдущих разделах. Как известно, оптимизация приборов с высоким коэффициентом усиления не дает заметных результатов по уменьшению фазовой чувствительности, и она может быть ориентировочно рассчитана по известной формуле [23]

Для фазостабильных ЛБВ эта формула справедлива только за пределами зоны стабилизации, в которой фазовая чувствительность близка к нулевой. Такая сложная характеристика могла бы неоднозначно сказаться на спектре импульсного сигнала в случае модуляции напряжением пучка. Однако сегодня такой способ модуляции практически не используется; чаще всего в современных ЛБВ применяется независимое и, как правило, низковольтное управление током пучка (например, с помощью управляющей сетки), а напряжение пучка остается постоянным. Насколько кардинально при этом улучшается спектр выходного сигнала, иллюстрируют спектрограммы, приведенные в работе [4]. Очевидно, что и при низковольтной модуляции ток изменяется в больших пределах, и это необходимо учитывать при расчете фазовых и амплитудных характеристик. Для обычных ЛБВ с высоким коэффициентом усиления при малых значениях изменения тока можно пользоваться известным соотношением [4]:

Более точные соотношения приведены в работе [4]. Для фазостабильных приборов зависимости фазы и амплитуды выходного сигнала от тока пучка до настоящего времени подробно не изучались и далее будут рассмотрены впервые. При проведении экспериментальных исследований необходимо принимать во внимание некоторые сопутствующие факторы и обстоятельства. Прежде всего, следует отметить, что базовый прибор с уменьшенным коэффициентом усиления, который стал бы наиболее точным аналогом фазостабильной ЛБВ, не планировался к изготовлению в связи большим объёмом необходимых дополнительных конструкторско-технологических и механообрабатывающих работ. Поэтому в качестве нефазостабильного аналога было решено использовать те же фазостабильные ЛБВ, но настроенные на нефазостабильный режим работы и обеспечивающим такой же коэффициент усиления за счёт подбора другого напряжения пучка. Обоснование такому подходу дают результаты второй главы и в том числе зависимости, приведённые на рисунке 2.2.

Определённые ограничения на диапазон изменения тока пучка при измерении модуляционных характеристик накладывают требуемая точность измерения фазы (что сложно обеспечить в широком диапазоне изменения выходной мощности при постоянной входной), а также специфика вольт-амперных характеристик импульсных ЛБВ с сеточным управлением пучка и его фокусировкой магнитным периодическим полем постоянных магнитов, заключающаяся в существенном росте тока на замедляющую систему при его общем уменьшении (см. рисунок 3.7). Этот рост тока не только может вызвать перегрев спирали, но также способен обусловить уменьшение напряжения пучка (ЗС), что приведёт к дополнительному фазовому сдвигу. В результате диапазон измерений изменения тока пучка был ограничен величиной в 30%, что не может сказаться на исследовании модуляционных шумов, но затрудняет оценку параметров импульсно-модулированного радиосигнала.

На рисунке 3.3 приведены расчётные и измеренные зависимости фазы и мощности выходного сигнала от тока пучка для фазостабильной ЛБВ с участком крестатронного режима в секции компенсации, расчётные зависимости базового прибора с уменьшенным коэффициентом усиления и измеренные характеристики фазостабильной ЛБВ в нефазостабильном режиме работы (выбранного экспериментального аналога) на центральной частоте рабочего диапазона длин волн.

Модуляционные характеристики фазостабильных ЛБВ

Расчёт представленных в таблице 3.4 данных велся с точностью до 1 дБ, поскольку их основной целью являлось выявление основных закономерностей в поведении исследуемых характеристик.

Рисунок 3.12 наглядно иллюстрирует вклад пульсаций каждого источника в амплитудные и фазовые составляющие модуляционных колебаний выходного сигнала СВЧ-усилителя на фазостабильной ЛБВ. Видно, что в спектре сигнала ожидаемо превалируют фазовые составляющие, при этом следует иметь в виду, что в зависимости от принадлежности этих пульсаций (источнику напряжения ЗС или управляющей сетки) эти составляющие могут взаимно компенсироваться. В итоге максимальный уровень в интервале напряжения стабилизации будет определяться амплитудной составляющей, обусловленной модуляцией тока.

Следует особо отметить, что амплитудные модуляционные шумы, как свидетельствуют данные таблицы 3.4, обусловлены прежде всего пульсациями напряжения превышения управляющей сетки. Из кривых рисунка 3.12, данных таблицы 3.4 и с учётом вышеупомянутой взаимной компенсации фазовых составляющих можно приближенно рассчитать, что для рассмотренного конкретного случая в интервале изменения напряжения пучка 300 В фазовые и амплитудные модуляционные колебания (шумы) не превышают -135 дБ/Гц. Есть все основания предполагать, что аналогичные результаты могут быть получены и в фазостабильной ЛБВ с участком крестатронного режима, поскольку результаты расчётов, приведённые в предыдущих разделах, свидетельствуют о возможности достижения даже более благоприятных модуляционных характеристиках, чем у ЛБВ с участком подавления сигнала.

Таким образом, результаты проведённых расчётов и измерений позволяют сделать однозначный вывод о том, что применение фазостабильных ЛБВ в СВЧ-передатчиках позволяет на порядок и более снизить уровень модуляционных фазовых шумов без ухудшения основных рабочих характеристик.

Оптимизация импульсного радиосигнала, излучаемого радиопередающими устройствами, одна из наиболее сложных задач, стоящая перед разработчиками аппаратуры и, прежде всего, РЛС [4,23]. Сосредоточение максимума полезной информации в минимально возможной полосе частот позволяет повысить эффективность работы системы и решить обостряющиеся с каждым годом проблемы электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств. Обычно эту задачу решают, принимая, как неизбежное, присущие выбранному СВЧ прибору модуляционные характеристики. Как правило, основным препятствием для формирования оптимального спектра являлось наличие значительного (единицы радиан) фазового сдвига на фронтах радиоимпульса, приводящего к увеличению занимаемой полосы частот и амплитудной асимметрии составляющих спектра. В некоторых случаях с целью улучшения спектра использовалось «вписывание» входного импульса в модулирующий импульс СВЧ-прибора, что негативно сказывалось на энергетических параметрах и некоторых тактико-технических характеристиках аппаратуры. Практически единственным значимым достижением, способствующим значительному улучшению спектра импульсного радиосигнала, было применение независимого низковольтного управления током пучка преимущественно с помощью разнообразных катодно-сеточных структур. Это позволило уменьшить величину фазовой модуляции на фронтах импульса и кардинально улучшить его спектр [4].

Разработка фазостабильных ЛБВ, как можно предположить из анализа их модуляционных характеристик, обладающих уменьшенным уровнем суммарного фазового сдвига и резким уменьшением его крутизны на больших (близких к насыщению) величинах выходной мощности (рисунки 3.3 и 3.4), во всяком случае, позволяет на это рассчитывать.

Методика расчета спектра радиоимпульса по модуляционным характеристикам достаточно сложна: по осциллограмме модулирующего импульса, вольтамперным и модуляционным характеристикам воспроизводятся видеоимпульс и фазовая характеристика на фронтах и вершине импульса, а затем по специальной программе численными методами определяются составляющие спектра. Разработка такой программы выходит за рамки диссертационной работы, но, несмотря на это, даже качественный анализ результатов измерений позволяет сделать вполне конкретные выводы о характеристиках спектра выходного сигнала в приборах различной конструкции.

Методика измерений спектра радиоимпульса была такой же, как и при измерении модуляционных колебаний (с применением анализатора спектра Е-4440А), только использовалась более медленная развертка и больший частотный диапазон анализа. На рисунке 3.13 приведены измеренные спектры радиосигналов для фазостабильных ЛБВ, их аналога и базового прибора в режиме насыщения выходной мощности при оптимальных напряжениях пучка.

Качество спектра импульсного радиосигнала принято оценивать либо уровнем мощности составляющих, выходящих за пределы разрешённой полосы частот (т. н. внеполосных колебаний), либо шириной полосы частот на заданном уровне этих составляющих, что больше подходит для анализа в нашем случае и представлено в таблице 3.5 Рисунок 3.13 – Спектрограммы серийной ЛБВ, аналога, ФЛБВ-1 и ФЛБВ-2

Видно, что фазостабильная ЛБВ с участком крестатронного режима на уровне составляющих спектра 40 дБ и менее (а именно такие уровни определяют внеполосные колебания) обеспечивает минимальную ширину спектра выходного сигнала СВЧ-усилителя, а базовый прибор и фазостабильная ЛБВ с участком подавления сигнала – максимальную.

Измерения показали, что в обычной ЛБВ и в фазостабильном приборе с участком подавления сигнала изменение напряжения пучка на спектр выходного сигнала влияет незначительно, что согласуется с оценкой, сделанной по результатам анализа модуляционных характеристик, и объясняется достаточно большими фазовыми сдвигами на фронтах импульса. Причина такого поведения модуляционных характеристик в фазостабильной ЛБВ с участком подавления сигнала уже отмечалась в разделе (3.1), и она обусловлена лавинообразным процессом снижения амплитуды ВЧ-поля на участке подавления и, как следствие, критичностью к изменению длины несинхронного участка и, соответственно, тока пучка. В связи с этим представляется целесообразным рассмотреть возможности оптимизации секции компенсации на основе участка подавления сигнала, например, за счет применения неоднородных замедляющих систем, скачков параметров и других известных средств.

Следует также учитывать тот факт, что по ряду объективных причин в качестве базового прибора была выбрана ЛБВ с относительно малым параметром усиления (С 0,06), что увеличивает крутизну фазовых характеристик при одинаковых значениях коэффициента усиления. При больших параметрах усиления достичь лучших параметров в фазостабильной ЛБВ будет намного проще.

В фазостабильной ЛБВ с участком крестатронного режима спектр выходного сигнала при изменении напряжения пучка видоизменяется: в фазостабильном режиме он становится заметно уже и симметричнее вплоть до уровня -70 дБ относительно максимального уровня, что может благоприятно сказаться на характеристиках радиоаппаратуры. И, как в предыдущем случае, поведение составляющих спектра качественно согласуется с ходом модуляционных характеристик.