Введение к работе
І. Актуальность темы. Электростатические усилители (ЭСУ) и электронные шцитные устройства ОЗУ) - это класс электровакуумных приборов СВЧ, работающих па быстрой циклотронной волне (БЦВ) электронного потока. Основными качествами ЭСУ, обусловившими эффективность их использования в качестве входного каскада приемных устройств радиолокационных Систем, являются достаточно низкий коэффициент шума (1,5...4 дБ); высокая устойчивость к -СВЧ перегрузкам по входу- (типичное значение предельной входной импульсной мощности 10 кВт при средней мощности 300 Вт) Г пр"и уровне входной мощности, в несколько мВт прибор переходит' в режим защиты с обеспечением глубокой развязки между входом и выходом (д\> 60...90 дБ); сверхмалое время восстановления параметров (~ 10...50 не)., которое в практических случаях заметно не превышает длительности заднего; фронта мощного СВЧ импульса. Кроме этого, для ЗСУ характерны .широкий динамический диапазон, высокая фазовая, линейность, низкие амплитудные и фазовые шумы, хорошие фильтрующие свойства . (при ширине рабочей полосы частот 5... 10%), низкие энергопотребление (3...5 .Вт) rf'масса (2,5...5 кг) . По совокупности параметров ЭСУ по меньшей мере не уступают лучшим образцам зарубежной аппаратуры аналогичного назначения.
В настоящее время разработаны ЭСУ в диапазоне частот-от 1 до 11 ГГц, дальнейшее увеличение рабочих частот ограничивают прежде всего трудности, связанные с получением магнитного поля, требуемого (достаточно высокого) уровня. При этом с увеличением рабочих частот принципиально возрастает коэффициент шума ЭСУ.
Задача создания прибора с рабочей частотой выше 11 12 ГГц может
быть значительно упрощена при уменьшеїши длины прибора, т.е. при сокращении рабочего зазора между полюсами магнитной системы. Если в целях уменьшения длины ЭСУ из него удалить электростатическую усилительную структуру, то прибор в этом случае превращается в ЭЗУ, которое в комбинации с малошумящим транзисторным усилителем (ТРУ)
позволяет реализовать параметры, сходные с параметрами ЭСУ (в диапазон! 8...10 ГГц) и повысить верхнюю границу рабочих частот до - 40 ГГц. Кроме этого, ЭЗУ по сравнению с ЭСУ позволяют несколько расширит! рабочую полосу частот и снизить массу прибора. Основные цели работы:
1. Решение задачи о взаимодействии различных типов поперечных волі
электронного потока в электрическом и магнитном статических полях различно!
структуры в параксиальном приближении в форме, удобной для расчетг
шумовых, усилительных и динамических характеристик электростатически?
усилительных структур.
2. Теоретическое и экспериментальное исследование, анализ влияния основные
физических эффектов, имеющих место в ЭСУ и ЭЗУ, а также особенностей
конструкции на шумовые характеристики этих приборов.
3. Определение критериев, при выполнении которых применение ЭЗУ S
комбинации с малошумящим транзисторным усилителем становится
предпочтительнее применения ЭСКУ (ЭСУ в комбинации с транзисторным
усилителем) .
4. Разработка, изготовдение и исследование опытных образцов ЭЗУ.
Научная и практическая значимость результатов диссертации:
-
Получены аналитические соотношения, позволяющие глубже понять и, следовательно, более полно учитывать специфику физических процессов, происходящих в приборах, использующих быструю циклотронную волну электронного потока.
-
Разработанные модели и программы позволяют с высокой точностью выполнять расчеты характеристик электростатических структур с учсгом эффекта торможения электронного пучка.
-
На основе проведенных расчетов шумовых характеристик электростатических усилительных структур сформулированы критерии предпочтительности использования ЭСУ или ЭЗУ в комбинации с малошумящим транзисторным усилителем.
. Разработаны, изготовлены и исследованы ЭЗУ в диапазонах частот 9 ГГц и 5 ГГц :
ЭЗУ на 9 ГГц позволяет в комбинации с малошумящим транзисторным гилителем получить шумовые характеристики, сходные с характеристиками СКУ (ЭСУ с малошумящим транзисторным усилителем) , однако по равнению с ЭСКУ, рабочая полоса частот расширена на 25...30%, а масса нюкена приблизительно на 20%;
разработка ЭЗУ на 35 ГГц свидетельствует об увеличении диапазона рабочих астот данного класса приборов более, чем в 3 раза и создании надежного ащитного устройства для радиолокаторов 8-мм диапазона.
Оба варианта ЭЗУ являются уникальными приборами, не имеющими налогов за рубежом, и могут быть эффективно использованы в различных ипах стационарной и бортовой радиолокационной аппаратуры.
Основные положения, выносимые на защиту: L. Расчет усилительных, шумовых и динамических характеристик )лектростатических усилительных структур с точностью, достаточной для трактического применения, должен производиться с учетом нелинейного )ффекта торможения электронов пучка в процессе усиления сигнала.
2. Для комбинации ЭСУ или ЭЗУ с малошумящим транзисторным усилителем
/становлено соотношение шумовой температуры циклотронных волн и
коэффициента шума транзисторного усилителя, которое определяет'
предпочтительность использования ЭСУ или ЭЗУ {см.Рис.6) .
3. Увеличение на 15-20 дБ развязки между входом и выходом ЭЗУ в режиме
защиты достигается расположением вдоль оси отверстия н разделительной
диафрагме трех - четырех четверть-волновых радиальных линий, закороченных
по наружному диаметру.
4. Многократное улучшение массо-габаритных характеристик магнитной
системы для ЭЗУ 8-мм диапазона длин воли достигается при таком
расположении элементов магнитной системы, когда к каждому из двух
полюсных наконечников прилегают одноименными полюсами по два пластинчатых магнита; это приводит к значительному увеличению - индукции магнитного поля в зазоре между полюсными наконечниками. 5. ' Применение комбинации ЭЗУ с современными малошумящимн транзисторными усилителями позволяет продвинуть рассматриваемый класс приборов в диапазон длин волн от 3 см до 8 мм и менее, обеспечивая при этом наилучшее сочетание высокого быстродействия и -низкого коэффициента шума при широком динамическом диапазоне.
Публикации и апробация работы. Результаты диссертации отражены в 7 публикациях, список которых приведен в конце автореферата, и 5 научно-технических отчетах. Результаты диссертации докладывались на заседаниях научно-технического совета подразделения ГНПП "Исток", в котором выполнялась работа, на научном семинаре в МГУ, а также на Всероссийской и Международной конференциях. По результатам работы получен 1 патент.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов и списка литературы из 72 наименований. Содержит 134 страницы, в том числе 44 рисунка и 3 таблицы.
