Улучшение выходных параметров спиральных спутниковых лбв в одно- и многочастотном режимах
На правах рукописи
СИМОНОВ Дмитрий Лазаросович
УЛУЧШЕНИЕ ВЫХОДНЫХ ПАРАМЕТРОВ СПИРАЛЬНЫХ СПУТНИКОВЫХ ЛБВ В ОДНО- И МНОГОЧАСТОТНОМ РЕЖИМАХ
Специальность 05.27.02 – вакуумная и плазменная электроника
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Саратов 2011
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении
высшего профессионального образования
«Саратовский государственный технический университет» и ФГУП «НПП «Алмаз»
| Научный руководитель: | доктор технических наук, профессор, Царев Владислав Алексеевич |
| Официальные оппоненты: | -доктор технических наук, профессор Фурсаев Михаил Александрович -доктор физико-математических наук, профессор Григорьев Юрий Алексеевич |
| Ведущая организация: | ОАО «НПП «Контакт», г. Саратов |
Защита состоится «16» июня 2011 г. В 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.01 при Саратовском государственном техническом университете по адресу: 410054 г. Саратов, ул. Политехническая, 77, Саратовский государственный технический университет, ауд. 401/2.
С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Саратовского государственного технического университета.
Автореферат разослан «___» мая 2011 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Димитрюк А.А.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Лампы бегущей волны (ЛБВ) остаются одним из основных типов электровакуумных приборов СВЧ. ЛБВ используются в качестве выходных широкополосных усилителей аппаратуры радиосвязи, обеспечивающей передачу информации на большие расстояния, применяются в бортовой и наземной аппаратуре систем спутниковой связи, а также в качестве усилителей станций магистральных радиорелейных линий связи и в передатчиках радиолокационных станций различного назначения.
В системах спутниковой связи широкое применение находят узкополосные спиральные ЛБВ с шириной рабочей полосы не более 5 – 10%. К этим ЛБВ предъявляется комплекс противоречивых требований, обусловленный условиями их работы в бортовой и наземной радиотехнической аппаратуре систем спутниковой связи.
Кроме необходимости получения высокого КПД это, прежде всего – требование минимальных нелинейных искажений усиливаемых сигналов. В системах спутниковой связи необходимо усиливать либо один сигнал, либо одновременно несколько сигналов с близкими частотами. Поэтому в ЛБВ, как и в любом нелинейном элементе, возникают следующие искажения: изменение фазы сигнала на выходе в зависимости от уровня входного сигнала, появление в спектре выходного сигнала составляющих с частотами, кратными частотам усиливаемых сигналов, а также сигналов на суммарной частоте, появление комбинационных составляющих. Операторы спутниковой связи выдвигают жесткие требования к уровню комбинационных составляющих. Например, по регламенту ОАО «Российские космические системы» уровень комбинационных составляющих третьего порядка должен составлять не более -20 дБ от уровня полезных сигналов.
В результате приходится снижать выходную мощность ЛБВ до достижения слабонелинейного (рабочего) участка амплитудной характеристики. Выходная мощность при этом должна быть на 3… 6 дБ меньше, чем мощность насыщения лампы. Следовательно, на рабочем участке сильно уменьшается электронный КПД. Поэтому для повышения КПД спутниковых ЛБВ обычно применяют рекуперацию энергии электронов в многоступенчатом коллекторе.
Однако в режиме подачи постоянных потенциалов на ступени коллектора возможности для увеличения КПД за счет рекуперации ограничены. Важным стимулом к повышению КПД и, следовательно, к уменьшению массы спутниковой ЛБВ, остаются экономические требования. Например, уменьшение мощности источника питания на 1 Вт дает экономию в 5500 евро, а уменьшение массы на 1 кг – в 55000 евро. Поэтому для ЛБВ, используемых в системах спутниковой связи, актуальными задачами являются: увеличение КПД на слабонелинейном участке, а также уменьшение нелинейных искажений при многочастотном взаимодействии на всем участке амплитудной характеристики. Однако эти две задачи противоречивы, следовательно, решить их можно только в результате оптимизации всего комплекса выходных параметров СВЧ усилителя, включая параметры вторичных источников электропитания.
Улучшению выходных параметров спутниковых ЛБВ посвящено много теоретических исследований, связанных с именами известных отечественных и зарубежных ученых: Кудряшова В.П., Мякинького Ю.П., Милютина Д.Д., Баширова Р.А., Азова Г.А., Нудельмана Я.Е., Солнцева В.А. Каца А.М., Сивякова Б.К., Wallander S., Nilsson O., Strauss R., Kosmahl H.G., Rowe J. и др.
В результате интенсивного развития теории ЛБВ с неоднородными замедляющими системами (ЗС) предсказана возможность повышения КПД до 80%. Исследованы различные пути уменьшения нелинейных искажений в многочастотном режиме.
Однако экспериментальных работ в этой области сравнительно мало. Вопросы, связанные с улучшением комплекса энергетических и массогабаритных параметров всего СВЧ усилителя, выполненного на основе ЛБВ, включая параметры и режимы работы вторичного источника питания, в режиме усиления одно- и многочастотного сигналов недостаточно изучены. Кроме того, для инженерной практики важно найти, на основе проведенных экспериментов, приближенные выражения, которые позволили бы разработчикам новых систем спутниковой связи оперативно предсказать, хотя бы на начальной стадии проектирования, оптимальные режимы работы этих приборов.
Исходя из вышеизложенного, проблема создания мощных высокоэффективных спиральных ЛБВ с минимальными габаритами и массой, предназначенных для использования в качестве выходных усилителей в станциях спутниковой связи, является актуальной в настоящее время.
Цель работы: повышение КПД спиральных ЛБВ в составе СВЧ усилителя для спутниковой связи, работающих в режиме усиления одно- и многочастотного сигналов с минимальным уровнем нелинейных искажений в рабочем диапазоне частот усиливаемых сигналов.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
- Исследование и анализ, известных к настоящему времени, путей увеличения КПД спиральных ЛБВ и способов уменьшения нелинейных искажений при многочастотном взаимодействии.
- Экспериментальное исследование амплитудно-фазовых характеристик и спектра выходного сигнала в одночастотном и двухчастотном режимах работы; и разработка методик уменьшения нелинейных искажений в ЛБВ (уровня комбинационных составляющих и коэффициента амплитудно-фазового преобразования) в двухчастотном режиме, при сохранении высокой эффективности взаимодействия на основных частотах.
- Теоретическое и экспериментальное исследование влияния разброса по энергиям электронов в многоступенчатом коллекторе при различных режимах рекуперации и усиления сигналов в спиральной ЛБВ, и определение путей дальнейшего улучшения выходных параметров усилителя мощности, выполненного на основе этого прибора.
- Обобщение результатов проведенных исследований. Выработка рекомендаций для создания промышленного выпуска усилителей, выполненных на основе спутниковых ЛБВ, соответствующих современному уровню технического прогресса.
Научные положения и результаты, выносимые на защиту:
- Для существенного снижения уровня комбинационных составляющих третьего порядка (на 10 – 15 дБ) в ЛБВ, работающей в двухчастотном режиме усиления, достаточно подать на ее вход третий дополнительный немодулированный сигнал с амплитудой, соответствующей уровню насыщения по суммарной выходной мощности, отстроенный по частоте на 5 – 15%, с произвольной начальной фазой.
- Подача в двухчастотном режиме на вход ЛБВ дополнительного немодулированного сигнала с отстройкой по частоте на 5 – 20% позволяет уменьшить коэффициент амплитудно-фазового преобразования в 2 – 3 раза при незначительном снижении электронного КПД.
- Выбор значений потенциалов на секциях многоступенчатого коллектора в соответствии с энергетическим спектром электронов на выходе из пространства взаимодействия ЛБВ, в режимах с выходной мощностью на 6 – 15 дБ меньше максимального уровня, позволяет увеличить КПД в этих режимах в 2 – 3 раза.
Методы исследования, достоверность и обоснованность результатов. В работе использованы хорошо апробированные эмпирические и теоретические методы исследования в области вакуумной СВЧ электроники. Решения задач оптимизации базируются на экспериментальных данных и известных положениях теории ЛБВ и методах математического моделирования. Достоверность полученных результатов подтверждается корректностью применяемых математических моделей, их адекватностью по известным критериям оценки изучаемых процессов взаимодействия электронов с СВЧ полем; хорошим совпадением полученных теоретических результатов с данными эксперимента; а также c результатами промышленной эксплуатации созданных ЛБВ и СВЧ усилителей на их основе, и совпадением с результатами, полученными другими авторами в области разработки спутниковых ЛБВ, опубликованными как в России, так и за рубежом.
Научная новизна работы:
- Впервые предложена и экспериментально апробирована методика существенного снижения уровня комбинационных составляющих третьего порядка (на 10 – 15 дБ) в ЛБВ, работающей в двухсигнальном режиме усиления, за счет подачи дополнительного немодулированного сигнала с отстройкой по частоте на 5 – 15%.
- Экспериментально установлено, что подача на вход ЛБВ, работающей в двухсигнальном режиме усиления на частотах f1 и f2, третьего дополнительного сигнала с произвольной начальной фазой и отстройкой «вверх-вниз» по частоте относительно основных сигналов в пределах 5 – 20% позволяет снизить коэффициент амплитудно-фазового преобразования основных сигналов более чем в 3 – 4 раза в режиме насыщения и в 2 – 3 раза в слабонелинейном режиме при незначительном снижении суммарного электронного КПД на частотах f1 и f2.
- Разработана методика, обеспечивающая значительное (в 2-3 раза) увеличение КПД ЛБВ с рекуперацией электронов в 4-х ступенчатом коллекторе (при допустимом уровне нелинейных искажений) за счет программируемого автоматического изменения величин напряжений, подаваемых на секции этого коллектора от источника вторичного питания.
- Предложены приближенные математические модели для оперативной оценки предельно достижимого значения электронного КПД спиральной ЛБВ с неоднородной ЗС. Эти модели получены методом планируемого эксперимента, основанного на данных натурных экспериментов, проведенных на реальных образцах приборов, и адекватно описывают поведение электронного КПД в режиме насыщения в зависимости от подводимой мощности, первеанса пучка и сопротивления связи ЗС.
Практическая значимость заключается в следующем:
- Предложенные методики уменьшения уровня комбинационных составляющих и коэффициента амплитудно-фазового преобразования в двухчастотном режиме работы ЛБВ путем подачи на её вход третьего независимого сигнала легко реализуются на практике, и их применение улучшает качество передаваемого сигнала по системам космической связи.
- Показана необходимость создания новых конструкций вторичных источников питания с автоматическим регулированием величин потенциалов на секциях многоступенчатого коллектора в зависимости от режимов работы ЛБВ. За счет увеличения КПД ЛБВ в усилителе с таким источником питания, может быть значительно уменьшены габариты и масса всего устройства.
- Результаты работы могут быть использованы в НИОКР, проводимых в СГТУ и на предприятиях радиоэлектронного профиля.
- Результаты работы могут быть использованы в учебном процессе в Вузах, ведущих подготовку специалистов по специальности 210105 (Электронные приборы и устройства).
Апробация работы. Работа выполнена на кафедре «Электронные приборы и устройства» Саратовского государственного технического университета и ФГУП «НПП «Алмаз» в период 2007 – 2011 г. Результаты работы докладывались и обсуждались на: Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий» (Саратов, СГТУ, 2009); научно-технической конференции «Электроника и вакуумная техника: приборы и устройства. Технология. Материалы» (Саратов, СГУ, 2009); 9-й Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (Саратов, СГТУ, 2010).
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планами НИР и ОКР ФГУП «НПП «Алмаз» и СГТУ.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе 2 работы в рекомендованных ВАК изданиях.
Личный вклад автора заключается в участии в формулировке цели и постановке задач исследовании, проведении численных расчетов, необходимых для интерпретации полученных экспериментальных данных. Автор является исполнителем представленных экспериментальных исследований. Обсуждение полученных теоретических и экспериментальных результатов проводилось совместно с соавторами научных статей.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложения. Ее объем 121 стр., включая 27 рисунков, 7 таблиц, 48 наименований цитируемых источников.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована (поставлена) задача улучшения комплекса выходных параметров: достижение высокого уровня КПД ЛБВ на всем участке амплитудной характеристики при меньших массе и габаритах СВЧ усилителя, а также при уменьшенной величине нелинейных искажений, поставлена цель работы, определены задачи исследований, отражены научная новизна, практическая значимость полученных результатов, представлена апробация работы.
В первой главе «Особенности разработки и производства спиральных ЛБВ для систем спутниковой связи» проанализировано современное состояние технологии разработки и производства ЛБВ космического назначения. Изучены пути и способы повышения КПД спиральных ЛБВ.
Высокий КПД ЛБВ может быть достигнут двумя способами. Первый способ заключается в увеличении эффективности преобразования энергии электронного потока в энергию СВЧ-поля (увеличение электронного КПД). Во втором случае КПД можно повысить за счет рекуперации энергии электронов в коллекторе.
Для повышения электронного КПД, и получения, близких к предельным, характеристик в современных спиральных ЛБВ используются многосекционные ЗС с многократным изменением фазовой скорости в каждой секции. Кроме этого, использование новых материалов и оригинальных конструкторских решений при создании спиральных ЗС позволило разработчикам современных спутниковых ЛБВ повысить (за счет увеличения сопротивления связи) электронный КПД (Э) до 35-40%. Однако при таких значениях Э происходит значительный разброс скоростей электронов на выходе из пространства взаимодействия, поэтому одним из способов дальнейшего увеличения КПД ЛБВ является увеличение КПД коллектора. Снижение потерь мощности электронного потока в коллекторе и увеличение КПД ЛБВ до 60-70% в режиме максимальной выходной мощности достигается в результате многоступенчатой сортировки электронов по скоростям и рекуперации их энергии.
Рассмотрены современные методы рекуперации электронного потока в многоступенчатом коллекторе. Отмечено, что все используемые на практике режимы рекуперации адаптированы только к сильно нелинейному режиму, соответствующему максимальной выходной мощности, в то время как основным режимом работы спутниковой ЛБВ является слабо нелинейный режим.
Проанализированы основные способы достижения требуемых значений спектральных и амплитудно-фазовых характеристик спиральных ЛБВ, а также методы получения высокого значения КПД. Установлено, что несмотря на то, что многие теоретически предложенные способы уменьшения нелинейных искажений в ЛБВ известны, но из-за сложности практической реализации, они пока не нашли широкого применения. Поэтому для получения допустимого уровня нелинейных искажений необходимо уменьшать выходную мощность ЛБВ на -10… -7 дБ относительно мощности насыщения лампы и, следовательно, уменьшать электронный КПД прибора. Это, в свою очередь, приводит к необходимости повышения мощности источника питания прибора, и, следовательно, к повышению габаритов и массы всего усилительного устройства.
На основе проведенного обзора определена область исследования, сформулированы задачи и намечены пути их решения.
Во второй главе «Уменьшение нелинейных искажений в ЛБВ при многочастотном взаимодействии» представлены результаты исследования модуляции основных и комбинационных составляющих в спектре выходного сигнала при изменении уровня одного из двух и одновременно двух подаваемых на вход ЛБВ сигналов. Показаны особенности амплитудно-фазовых преобразований при таких типах модуляции входной мощности. Измерения проведены в различных точках амплитудных характеристик. Они проведены как в режиме изменения равных по мощности входных сигналов, так и в режиме изменения мощности только одного из двух входных сигналов.
Экспериментальные исследования проведены на образцах ЛБВ средней мощности четырёхсантиметрового диапазона длин волн с неоднородной ЗС, предназначенных для работы в СВЧ усилителях спутников связи. Основные характеристики ЛБВ имеют следующие типичные значения в рабочей полосе частот: напряжение ЗС относительно катода (UЗС) 3,7 – 3,9 кВ, ток электронного пучка (I0) 35 – 40 мА, выходная мощность (РВЫХ) 55 – 60 Вт, коэффициент усиления (КУ) в режиме максимальной выходной мощности 45 – 50 дБ, КПД в режиме максимальной выходной мощности 55 – 60% при Э – 35 – 38%.
В двухчастотном режиме измерения проводились как при одновременном изменении мощности двух равных входных сигналов, так и при изменении мощности одного из входных сигналов. Мощность второго входного сигнала оставалась постоянной. Расстройка между частотами составляла 0,5%. При равных выходных мощностях сигналов мощность входных сигналов изменялась в интервале от -21 дБ относительно уровня, соответствующего режиму насыщению по суммарной выходной мощности, до уровня +6 дБ. Из-за небольшой расстройки между частотами, мощности выходных сигналов были примерно одинаковы при равных мощностях входных сигналов.
При усилении сигналов с расстройкой по частоте, значительно меньшей рабочей полосы ЛБВ, комбинационные составляющие на частотах 2f1 – f2, 2f2 – f1, 3f1 – 2f2, 3f2 – 2f1 и более высоких порядков, попадая в рабочую полосу, существенно ограничивали возможности подавления их с помощью внешних средств.
В двухчастотном режиме при изменении суммарной входной мощности сохранялось равенство входных мощностей на частотах f1 и f2. Изменение фазы сигналов на выходе ЛБВ при такой модуляции имеет такой же характер, как и в одночастотном режиме. Для сравнения были выполнены аналогичные измерения в односигнальном режиме. Они показали, что крутизна изменения фазы сигналов на выходе ЛБВ и суммарное изменение фазы в одинаковых интервалах входных мощностей очень близки или совпадают.
Показано также, что изменение фазы сигнала на выходе спиральной ЛБВ при изменении мощности на входе в односигнальном режиме усиления можно представить линейной функцией от Э, как на слабонелинейном участке амплитудной характеристики, так и на нелинейном вплоть до точки насыщения по Э. Изменение фаз сигналов на выходе спиральной ЛБВ при изменении мощности двух равных сигналов на входе в двухчастотном режиме усиления также можно представить линейной функцией от суммарного электронного КПД (Э), как на слабонелинейном участке амплитудной характеристики, так и на нелинейном, вплоть до точки насыщения по Э.
На рисунке 1 показаны зависимости электронного КПД Э1 (на частоте f1) и Э2 (на частоте f2), а также Э и фаз выходных сигналов на частотах f1 (1) и f2 (2), полученные при изменении входной мощности на частоте f1 при неизменной входной мощности на частоте f2, равной мощности, соответствующей режиму насыщения по электронному КПД в двухчастотном режиме.
Рис. 1. Зависимости электронного КПД на частотах f1, f2, а также фаз выходных сигналов на этих частотах и суммарного электронного КПД при изменении входной мощности на частоте f1:
– Э1; – Э2; – 1; – 2; – Э; РВХ f1 – входная мощность на частоте f1; РВХ СН – суммарная входная мощность в режиме насыщения двух равных сигналов.
Из рис. 1 видно, что изменение фаз выходных сигналов при таком типе модуляции мощности на входе ЛБВ уже не описывается простой линейной зависимостью от Э или Э1, Э2. На слабонелинейном участке усиления и далее, до точки насыщения по Э (при равных по мощности сигналах), наблюдается нелинейная и обратная зависимость фаз выходных сигналов от Э1 и Э2. За точкой насыщения приращение фазы выходного сигнала на частоте с переменной входной мощностью меняет знак.
Причем, при заметных изменениях Э1, Э2, Э изменяется незначительно. Характерно, что минимальные значения Э наблюдается в точке насыщения по Э двух равных сигналов и вблизи этой точки. Максимальное значение Э2 достигается в режиме, близком к односигнальному. За точкой насыщения наблюдается подавление взаимодействия на частоте f2 и, как следствие, рост Э1 при почти пропорциональном уменьшении Э2.
Фазы этих сигналов на выходе ЛБВ на участке до насыщения также изменяются почти симметрично относительно нулевого значения в насыщении. Важно отметить, что изменение фазы каждого сигнала до точки насыщения двух равных сигналов по Э в 5 раз меньше, чем в одночастотном режиме. Суммарное же изменение фазы сигналов на этом участке амплитудной характеристики близко к нулю из-за разницы по знаку изменений. Это соответствует незначительному изменению Э.
Линейная зависимость фаз сигналов на выходе спиральных ЛБВ от Э при изменении мощности на входе в односигнальном режиме усиления и от Э при изменении мощности двух равных сигналов на входе в двухсигнальном режиме усиления наблюдается, как в ЛБВ с переменным по длине периодом ЗС и высоким Э, так и в ЛБВ с однородным периодом ЗС и меньшим Э.
В спиральной ЛБВ с переменным по длине периодом ЗС и высоким Э, в двухчастотном режиме, изменение входной мощности только одного сигнала (при постоянстве входной мощности второго сигнала) приводит к принципиальному изменению характера амплитудно-фазовых преобразований по сравнению с одночастотным режимом и двухчастотным режимом в случае изменения суммарной входной мощности равных сигналов.
Из полученных результатов следует, что при двухчастотном усилении, характер и величины изменения уровней комбинационных составляющих в спектре выходных сигналов спиральной ЛБВ с неоднородной ЗС и высоким электронным КПД не отличаются от характера и величин соответствующих изменений в спектре выходных сигналов спиральных ЛБВ с однородными ЗС и меньшим в 1,5 – 2 раза электронным КПД.
Установлено, что при фиксированном уровне одного из сигналов нелинейные искажения другого значительно уменьшаются. На основании этого предложены, обоснованы, а также экспериментально проверены способы уменьшения уровня комбинационных составляющих третьего порядка 2f1 – f2 и 2f2 – f1 (3) и снижения коэффициента амплитудно-фазового преобразования основных сигналов при двухчастотном усилении путем подачи на вход третьего немодулированного сигнала с произвольной начальной фазой.
На рис. 2 показан суммарный электронный КПД на частотах f1 и f2 в зависимости от уровня комбинационных составляющих третьего порядка в двухчастотном режиме при уменьшении суммарной входной мощности; и в трехчастотном режиме при подаче на вход третьего сигнала, отстроенного вверх по частоте на 15% относительно f1 с произвольной начальной фазой. Суммарная входная мощность на частотах f1 и f2 при подаче на вход третьего сигнала оставалась постоянной.
Экспериментально установлено, что допустимая величина отстройки по частоте третьего дополнительного сигнала относительно основных несущих, для наибольшего снижения комбинационных составляющих третьего порядка основных сигналов, лежит в пределах 5 – 15% вверх или вниз.
Рис. 2. Суммарный электронный КПД на частотах f1 и f2.
– при уменьшении суммарной входной мощности;
– при подаче на вход третьего (дополнительного) сигнала.
Для сравнения на рис. 3 показан спектр сигналов на выходе ЛБВ в двухчастотном режиме работы с уменьшенным суммарным входным сигналом, при котором 3 = -25 дБ. Э при этом 1,53%. На рис. 4 показан спектр сигналов на выходе ЛБВ в трехчастотном режиме работы, при котором 3 = -25 дБ. При подаче третьего дополнительного сигнала суммарный электронный КПД на частотах основных сигналов достигает 16 – 17%.
 |  |
| Рис. 4 – Спектр на выходе ЛБВ в двухчастотном режиме работы, при котором 3 = -25 дБ | Рис. 5 – Спектр на выходе ЛБВ в режиме усиления трех сигналов, при котором 3 = -25 дБ |
Наименьший уровень комбинационных составляющих третьего порядка основных сигналов достигается в случае равных выходных мощностей всех трех поданных сигналов (рис. 4). Появляющиеся комбинационные составляющие 2f1 – f3, 2f3 – f1, 2f2 – f3, 2f3 – f2 и т.д. находятся вне рабочей полосы ЛБВ.
Таким образом, подача третьего дополнительного сигнала с произвольной начальной фазой и отстройкой вверх-вниз по частоте относительно основных сигналов в пределах 5 – 15% позволяет увеличить суммарный электронный КПД ЛБВ на частотах основных сигналов в 6 – 10 раз при уровне комбинационных составляющих третьего порядка основных сигналов -20 – -25 дБ. Появляющиеся комбинационные составляющие 2f1 – f3, 2f3 – f1, 2f2 – f3, 2f3 – f2 и т.д. находятся вне рабочей полосы ЛБВ. Положительный эффект с подачей третьего дополнительного сигнала сохраняется и при амплитудной модуляции основных сигналов.
На рис. 5 показаны зависимости изменения фазы и суммарного электронного КПД в двух- и трехчастотном режимах (Э3) при одновременном изменении мощности двух равных входных сигналов на частотах f1 и f2. Входная мощность и начальная фаза третьего сигнала оставались постоянными. Третий сигнал отстроен вверх по частоте на 10% относительно f1. Мощность входных сигналов на частотах f1 и f2 (Рвхс2) изменялась в интервале минус 21 дБ – плюс 3 дБ от режима, соответствующего насыщению по суммарной выходной мощности в трехчастотном режиме (Рвхс3 0). Из рисунка видно, что суммарное значение электронного КПД на трех частотах практически не изменяется, что свидетельствует о примерно одинаковой скорости электронных сгустков при таком типе модуляции. Стабилизация средней скорости электронов обеспечивает значительное снижение величины амплитудно-зависимого фазового сдвига на каждой из несущих частот. Величина отстройки по частоте третьего дополнительного сигнала относительно основных несущих, для сохранения зависимостей, приведенных на рис. 5, лежит в пределах 5 – 20% вверх или вниз.
Рис. 5 – Зависимости фазы выходного сигнала на частоте f1 и Э от суммарной входной мощности f1 и f2.
– Э в двухчастотном режиме;
в в двухчастотном режиме;
– Э при подаче на вход третьего (дополнительного) сигнала;
– при подаче на вход третьего (дополнительного) сигнала;
– Э3.
Из рис. 5 видно, что подача третьего дополнительного сигнала с произвольной начальной фазой и отстройкой вверх-вниз по частоте относительно основных сигналов в пределах 5 – 20% позволяет снизить коэффициент амплитудно-фазового преобразования основных сигналов более чем в 3 – 4 раза режиме насыщения и в 2 – 3 раза в слабонелинейном режиме при незначительном снижении суммарного электронного КПД на частотах f1 и f2.
В третьей главе «Исследование возможности повышения КПД ЛБВ за счет оптимального выбора параметров режима работы коллектора в слабонелинейном режиме работы СВЧ усилителя мощности» на основе данных изучения параметров пространства взаимодействия ЛБВ, включая исследование энергетических спектров электронных потоков за плоскостью выхода из него, определены предельно возможные значения КПД на разных участках амплитудной характеристики.
По условиям эксплуатации ЛБВ в течение длительного времени должны работать в режиме низкого электронного КПД при выходной мощности на 3 6 дБ меньше максимальной. 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. Для изучения возможности увеличения КПД, как в режиме максимальной выходной мощности, так и в других, малосигнальных режимах, в работе исследовались особенности процессов рекуперации энергии электронного потока в многоступенчатом коллекторе ЛБВ в этих режимах.
Исследования выполнены в два этапа. На первом этапе, для шести точек амплитудной характеристики ЛБВ (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), проводились расчёты электронного КПД, энергии электронов в электронном потоке на выходе из пространства взаимодействия, КПД ЗС (ЗС), КПД рекуперации (Р) при условии идеальной сортировки электронов по электродам коллектора в соответствии с энергиями электронов и потенциалами электродов по программе расчёта дисперсии, сопротивления связи и затухания спиральной замедляющей системы и программе расчёта выходных характеристик ЛБВ с неоднородными по длине ЗС в диалоговом режиме. По результатам расчёта определялись предельные значения КПД на различных участках амплитудной характеристики при разных режимах рекуперации энергии электронов в коллекторе.
На втором этапе, для тех же шести точек амплитудной характеристики, проводились экспериментальные измерения параметров ЛБВ и энергетического разброса электронов на входе в коллектор.
На рисунке 6 показано сравнение расчетного и экспериментального распределения спектров энергий электронов на выходе из пространства взаимодействия. 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 (РВЫХ). РВЫХ = 10lg РВЫХ/РВЫХ. МАКС., где РВЫХ – выходная мощность на частоте первой гармоники; РВЫХ. МАКС. – выходная мощность на частоте первой гармоники в режиме насыщения. Энергии электронов на рисунке представлены в координатах I/I0; Е, где I/I0 – нормированный по I0 ток электронного потока, соответствующий электронам с энергиями, не менее некоторого значения, Е – энергия электронов, нормированная по их энергии на входе в пространство взаимодействия. По этим спектрам, а также по известным из расчета и эксперимента величинам электронного КПД рассчитаны предельно достижимые величины КПД при четырёхступенчатой рекуперации энергии электронов в условиях идеальной их сортировки по ступеням коллектора. Расчёт КПД проводился с учётом мощности, потребляемой подогревателем катода, которая для исследуемого прибора была равна 2,3 Вт. КПД при четырёхступенчатой рекуперации рассчитывался для двух вариантов. В первом варианте (4РИ1) напряжения на секциях коллектора выбирались, исходя из условия достижения режима максимальной выходной мощности. Во втором варианте (4РИ2) напряжения на секциях коллектора подбирались специально, исходя из условия увеличения КПД в каждом из шести режимов. Результаты этих расчётов приведены на рисунке 7.
Рис.6. Сравнение расчетного и экспериментального распределения спектров электронов по энергиям за плоскостью выхода из пространства взаимодействия.
Экспериментальное распределение: РВЫХ: – -3 дБ (за насыщением); – 0 дБ;
– -3 дБ; – -6 дБ; – -10 дБ; Ѓ – -15 дБ;
Расчетное распределение: РВЫХ: 3 – -3 дБ (за насыщением); 1 – 0 дБ;
2 – -3 дБ; 4 – -6 дБ; 5 – -10 дБ; 6 – -15 дБ.
Рис.7. Расчетные и экспериментальные зависимости КПД от уровня выходного сигнала:
– 4ри1; 4ри2 – эксперимент;
1, 2 – 4ри1, 4ри2 – расчет.
Оптимизация электрических потенциалов четырёх секций коллектора в каждом режиме позволяет увеличить КПД в режимах с пониженным уровнем выходной мощности на 10 – 20% по абсолютной величине. При изменении потенциалов секций коллектора в соответствии с изменением спектров энергий электронов КПД может оставаться высоким даже при уменьшении электронного КПД в разы и десятки раз: более 60% при РВЫХ = - 3 дБ и 20 – 40% в линейном режиме (см. рис. 7).
При анализе возможности увеличения КПД 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 ЗС и КПД коллектора К от электронного КПД. На рисунке 8 представлены результаты расчета К ЛБВ, полученные при условии идеальной сортировки электронов по токоприёмникам четырёх секционного коллектора в соответствии со спектрами энергий электронов. Значения К определялись по рассчитанным значениям, Э и ЗС:
, (1)
где: –КПД ЛБВ, ВЗ – КПД взаимодействия (ВЗ = Э/ЗС).
КПД ЗС определялось как отношение выходной мощности на частоте первой гармоники к разности мощностей электронного потока на входе в пространство взаимодействия, равной I0U0, и на выходе из пространства взаимодействия, рассчитанной по спектру энергий электронов.
Кривые соответствуют двум вариантам четырёхступенчатой рекуперации: первый вариант (к4ри1) – напряжения на секциях коллектора выбраны оптимальными для режима максимальной выходной мощности; второй вариант (к4ри2) – напряжения на секциях коллектора выбраны оптимальными для каждого из шести режимов.
Как видно на рисунке 8, КПД четырёхступенчатого коллектора в режиме максимальной выходной мощности при идеальной сортировке электронов может достигать 90%.
Рис. 8. Расчетные зависимости КПД коллектора и ЗС ЛБВ
от уровня выходного сигнала
– ЗС; в – К4РИ1; К4РИ2.
В первом варианте рекуперации КПД коллектора в режиме РВЫХ = - 3 дБ падает до 84 – 87% из-за несоответствия выбранных потенциалов токоприёмников коллектора спектру энергий «крупных частиц». В линейном режиме К4РИ1 возрастает до 91%. Увеличение К4РИ1 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 электронного КПД увеличивается и достигает 99% в линейном режиме.
Показанное на рисунке изменение ЗС 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 Э ко входу ЛБВ.
Из рисунка 7 видно, что 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.
Полученные результаты расчётов и измерений параметров пространства взаимодействия и коллектора спиральной ЛБВ с большим электронным КПД 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 СВЧ усилителя это может достигаться за счёт отслеживания, с помощью специального микропроцессора, 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 найденные оптимальные параметры пространства взаимодействия спиральной ЛБВ 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 электронного КПД 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 ЗС ЛБВ существенно уменьшается в режиме за насыщением и в линейном режиме. Такое изменение ЗС объясняется ростом удельных потерь СВЧ-мощности из-за смещения точки насыщения по электронному КПД в сторону входа ЛБВ.
Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что КПД коллектора исследованного серийного образца ЛБВ, при четырёхступенчатой рекуперации энергии электронов, может быть повышен на 10 – 15%, как в режиме максимальной выходной мощности, так и в линейном режиме. Отсюда следует, что КПД ЛБВ может быть дополнительно увеличен за счёт оптимизации режима работы коллектора.
В четвертой главе «Математическое моделирование физических процессов в спиральных ЛБВ методом планируемого эксперимента» получено уравнение регрессии, характеризующее зависимость электронного КПД спутниковой ЛБВ от трех независимых переменных: подводимой мощности Р0, микропервеанса пучка р и сопротивления связи Rсв.
Пределы изменений значений факторов занесены в таблицу 1.
Таблица 1
| xi | Р0, Вт | р, мкА/В3/2 | Rсв, Ом |
| min | 129,5 | 0,14 | 60 |
| max | 156 | 0,18 | 140 |
Значения электронного КПД в каждой точке были экспериментально измерены на образцах ЛБВ с неоднородными по длине ЗС.
По результатам опытов плана сформировано следующее уравнение регрессии:
.(4)
Проверка адекватности полученного уравнения регрессии опытным данным выполнена по известному критерию Фишера для уровня значимости 0,05.
Для нахождения аналитической зависимости оптимального значения микропервеанса (p2ОПТ), соответствующего максимальному значению электронного КПД (Э МАКС) использовался метод нелинейного подобия (метод подобия систем с нелинейными параметрами, разработанный Вениковым В.А.). Условием подобия является совпадение относительных характеристик сходственных нелинейных параметров, выраженных в долях от некоторых характерных (базисных) значений. В данном случае таким нелинейным параметром является электронный КПД исследуемой ЛБВ. Чтобы обеспечить подобие зависимостей электронного КПД от микропервеанса вводятся соответствующие базисные значения параметров Э МАКС, после чего эти зависимости строятся в новой системе координат: Э = f(p), Э* = Э/Э МАКС – нормированный по Э МАКС электронный КПД ЛБВ. В ходе выполнения экспериментальных исследований были построены зависимости выходной мощности и электронного КПД в режиме насыщения от тока электронного пучка при трех значениях напряжений на ЗС: 3600 В, 3800 В, 4000 В. При этом микропервеанс пучка изменялся в пределах от 0,02 до 0,27 мкА/В3/2 путем увеличения тока электронного потока.
Если приближенное нелинейное подобие выполняется, то частные зависимости электронного КПД от микропервеанса (при условии, что усредненное предельное значение Э МАКС для данного типа ЛБВ равно 0,355), должны лечь на одну обобщенную кривую (рис. 9).
Рис. 9. Обобщенная зависимость нормированных значений электронного КПД от микропервеанса при U0: – 3800 В; – 3600 В; – 4000 В.
Эту кривую, легко можно аппроксимировать степенным многочленом, с помощью которого можно оценить зависимость электронного КПД от микропервеанса.
(6)
Полученное приближенное выражение может быть использовано на начальном этапе проектирования новых ЛБВ на базе лампы исследуемой конструкции при выборе оптимального значения микропервеанса, соответствующего максимальной эффективности взаимодействия.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ
В заключении приведены основные результаты работы. В процессе выполнения диссертационной работы при непосредственном участии автора были получены следующие основные результаты:
- Проведены измерения и сравнительный анализ спектрограмм выходных сигналов спиральной ЛБВ с неоднородной ЗС и высоким электронным КПД при двухсигнальном усилении.
- В спиральной ЛБВ с неоднородной ЗС и высоким электронным КПД в двухсигнальном режиме изменение входной мощности только одного сигнала при постоянстве входной мощности второго сигнала приводит к принципиальному изменению характера амплитудно-фазовых преобразований по сравнению с односигнальным режимом и двухсигнальным режимом в случае изменения суммарной входной мощности равных сигналов.
- Изменение фаз выходных сигналов при изменении мощности на входе ЛБВ только на одной частоте в двухчастотном режиме не описывается простой линейной зависимостью от Э или Э1, Э2, а наблюдается нелинейная и обратная зависимость фаз выходных сигналов от Э1 и Э2 в слабонелинейном режиме и в нелинейном режиме до точки насыщения. За точкой насыщения приращение фазы выходного сигнала на частоте с переменной входной мощностью меняет знак.
- Предложена методика существенного уменьшения уровня комбинационных составляющих третьего порядка (на 10 – 15 дБ) в спиральной ЛБВ в двухчастотном режиме путем подачи на её вход третьего дополнительного немодулированного сигнала с амплитудой, отстроенного по частоте на 5 – 15% с произвольной начальной фазой.
- Предложена методика уменьшения коэффициента амплитудно-фазового преобразования в двухчастотном режиме в 2 – 4 раза при незначительном снижении полного КПД путем подачи на вход ЛБВ дополнительного немодулированного сигнала, с амплитудой, соответствующей насыщению по суммарной выходной мощности, отстроенного по частоте на 5 – 20%.
- Предложен способ увеличения КПД ЛБВ в слабонелинейном режиме в 2 – 3 раза за счёт оптимизации режима рекуперации энергии электронов в коллекторе. В составе СВЧ усилителя 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 оптимально выбранные параметры неоднородного по шагу ЗС пространства взаимодействия спиральной спутниковой ЛБВ обеспечивают увеличение КПД ЛБВ до 72% в режиме максимальной выходной мощности и до 18 – 36% в линейном режиме.
- Приведены экспериментальные результаты, подтверждающие эффективность предложенных способов увеличения КПД ЛБВ за счет адаптации напряжений питания ступеней коллектора в разных режимах работы прибора.
- Получено адекватное уравнение регрессии, характеризующее зависимость электронного КПД спутниковой ЛБВ от параметров ЗС и электронного пучка, а также приближенное уравнение, позволяющее оперативно выбрать микропервеанс пучка, исходя из условия достижения максимального электронного КПД.
Содержание диссертации изложено в следующих работах:
В изданиях, рекомендуемых ВАК РФ
- Результаты экспериментальных исследований амплитудной и фазовой модуляции в двухчастотном режиме работы спиральной ЛБВ с высоким электронным КПД / П.Д. Шалаев, Д.Л. Симонов // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2010. №3(48). С. 99 – 105.
- Результаты исследования возможности повышения КПД ЛБВ в составе СВЧ- усилителя мощности в линейном режиме работы / П.Д. Шалаев, Д.Л. Симонов // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2011. №1(52). С. 170 – 180.
В других изданиях
- Пути повышения электронного КПД спутниковых ЛБВ О-типа / Д.Л. Симонов, В.А. Царев // Радиотехника и связь. Сборник научных трудов. Саратов 2008. С. 244 – 252.
- Результаты исследования амплитудных характеристик спиральной ЛБВ с высоким КПД электроники / П.Д. Шалаев, Д.Л. Симонов // Всероссийская научно-техническая конференция «Перспективные направления развития электронного приборостроения» СГУ – 2009. С. 24 – 32.
- Исследование влияния основных параметров спутниковой ЛБВ на электронный КПД / Д.Л. Симонов, В.А. Царев // Радиотехника и связь. Сборник научных трудов. Саратов 2009. С. 283 – 290.
- Оптимизация параметров пространства взаимодействия спутниковой ЛБВ за счет изменения шага спирали / Д.Л. Симонов // Всероссийская научно-практическая конференция молодых ученых «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий». СГТУ – 2009. С.230 – 232.
- Результаты экспериментальных исследований спиральной ЛБВ с высоким электронным КПД в двухчастотном режиме работы / П.Д. Шалаев, Д.Л. Симонов //9-я Международная научно-техническая конференция «Актуальные Проблемы Электронного Приборостроения» Саратов. Изд. СГТУ. 22 – 23 сентября 2010. С. 157 – 162.
- Результаты экспериментального исследования фазоамплитудных характеристик спутниковой ЛБВ / Д.Л. Симонов // Техническая электродинамика и электроника. Сборник научных трудов. Саратов 2010. С. 98 – 101.
- Определение оптимального значения первеанса электронного пучка в ЛБВ с высоким электронным КПД / Д.Л. Симонов, В.А. Царев // Техническая электродинамика и электроника. Сборник научных трудов. Саратов 2010. С. 95 – 97.
