“ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ” N 6, 2013

оглавление

УДК 621.385.632

Увеличение выходной мощности и рабочей частоты широкополосных ЛБВ[1]  

 

Ю. Н. Пчельников 1, А. Ю. Мирошниченко 2, Н. А. Акафьева 2

1 Scientific Application International Corporation, MCLEAN, VA, 22102, USA

2 Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.

 

Получена  13 июня 2013 г.

 

Аннотация.  В работе рассматривается возможность повышения выходной мощности и увеличения рабочей частоты широкополосных ЛБВ. Предложены варианты и модификации замедляющих систем с уменьшенной периодичностью, что позволяет использовать их при увеличенных напряжениях электронного потока без возбуждения на обратной волне.

Ключевые слова: лампа бегущей волны, замедляющая система, поток электронов, дисперсионная характеристика, взаимодействие.

Abstract: We consider the possibility of increasing the output power and increase of the operating frequency broadband TWT. The variants and modifications of a slow-wave structure with a reduced periodicity, allowing using them with an increased voltage of the electron beam without excitation on the backward wave are presented.

Keywords: traveling-wave tube, slow-wave structure, electron beam, dispersion characteristics, interaction.

 

Введение

Под определение широкополосные ЛБВ будем относить лампы с двухэлектродной замедляющей системой (ЗС), начиная со спирали и её модификаций, таких как «кольцо-стержень», «кольцо-кольцо» и др., т.е. ЗС, не имеющие низкочастотной отсечки. При этом независимо от типа ЗС, её размеров и рабочего диапазона волн, средняя частота всегда соответствует приблизительно одному и тому же значению произведения поперечной постоянной  на радиус  или высоту  соответственно цилиндрического или прямоугольного пролётного канала.  Для цилиндрического канала  порядка 11.5, для прямоугольного – несколько меньше. Увеличение рабочей частоты сопровождается увеличением поперечной постоянной  и, следовательно, уменьшением радиуса или высоты пролётного канала со всеми вытекающими отсюда последствиями.

Как известно, полоса усиления ЛБВ ограничивается  дисперсией ЗС, а также зависимостью коэффициента связи замедленной волны с электронным потоком (ЭП) от параметра  или . Применение продольно-проводящего экрана [1] или диэлектрических опор специальной формы [2] позволяет уменьшать наклон дисперсионной характеристики, расширяя полосу усиления до двух-трёх октав [3]. Однако так как уменьшение дисперсии обычно сопровождается уменьшением коэффициента связи, то приходится искать компромисс между этими параметрами.

Более серьёзной проблемой является  ограничение рабочего напряжения ЭП, а, следовательно, выходной мощности и рабочей частоты, величиной, которая в случае спиральных ЛБВ лишь немногим превышает 10 кВ [4], ограничение, вызванное самовозбуждением на обратной волне. Применение резонансных поглотителей [5], а также существенное уменьшение радиуса ЭП позволяет поднять рабочее напряжение вплоть до 20 кВ. Однако при этом происходит как ограничение полосы усиления, так и уменьшение эффективности взаимодействия ЭП с усиливаемой волной.

I. Цилиндрический поток электронов

1. Предельное напряжение

При заданном интервале значений параметра , радиус пролётного канала  тем больше, чем меньше замедление , т.е. больше напряжение ЭП . Полагая , где  - фазовая постоянная, и параметр  на коротковолновом краю рабочего диапазона равным двум, находим

,                                        (1)

где  - длина волны в свободном пространстве.

C учётом того, что равенство скоростей нулевой и минус первой пространственных гармоник происходит приблизительно при , получим из соотношения (1) потенциал ЭП, при котором работа без возбуждения уже невозможна

                                        (2)

Не останавливаясь на упомянутых выше полиативных решениях, в виде резонансных поглотителей и уменьшения радиуса ЭП, отметим, что  избежать возбуждения на минус первой гармонике можно уменьшая период ЗС при сохранении или уменьшении замедления.

2. Модифицированные спирали

К существенному уменьшению замедления при сохранении продольной периодичности приводит замена спирали системой «кольцо-перемычка». Однако при этом наклон дисперсионной характеристики существенно увеличивается. Хотя применение такой ЗС и позволило поднять выходную мощность ЛБВ, азимутальная периодичность, создаваемая перемычками, приводит к неустойчивой работе уже при напряжении порядка 20 кВ. Замена перемычек наклонёнными к оси кольцами позволяет уменьшить период системы вдвое и значительно повысить рабочее напряжение.

На рис. 1 приведены дисперсионные характеристики макетов обеих упомянутых ЗС и показана их конфигурация. Для сравнения показана зависимость замедления от параметра ,  полученная для обычной спиральной ЗС с теми же геометрическими размерами, что и модифицированные спирали. Из рис. 1 видно, что при представляющих практический интерес значениях параметра  порядка 12, замедление  волны в ЗС "кольцо-кольцо" приблизительно в полтора раза меньше чем в спирали при вдвое меньшем периоде. При этом наклон дисперсионной характеристики относительно небольшой.

 

Рис. 1. Дисперсионные характеристики (зависимость замедления от параметра ) спирали
со средним радиусом  в цилиндрическом экране с радиусом  (пунктирная кривая)
и  характеристики модифицированных спиралей в экране с теми же
значениями радиуса и шага и тем же экраном (сплошные кривые)

3. Спираль в азимутально-проводящем экране

На рис. 2 показана модель спиральной ЗС с азимутально-проводящим экраном радиуса  и изотропным экраном радиуса . Возбуждаемый в кольцах ток уменьшает индуктивность спирали и, следовательно, замедление, что при сохранении той же периодичности (шага), позволяет поднять рабочее напряжение (дисперсионные характеристики на рис. 3). Следует отметить, что в отличие от экрана с продольной проводимостью, уменьшающего связь с ЭП, наличие колец, как это показано в работе [6], приводит к увеличению этой связи. Это позволяет уменьшить радиус изотропного экрана и улучшить фокусировку ЭП.

 

Рис. 2. Спираль в кольцах

Рис. 3. Относительное замедление

 

На рис. 4 показана спираль, установленная через диэлектрические прокладки в проводящие кольца, закреплённые диэлектрическими опорами в изотропном экране. Реальная ЗС отличается от модели конечной шириной колец и, следовательно, величиной возбуждаемого в них тока. Это позволяет располагать относительно узкие кольца близко к спирали, не вызывая слишком большого уменьшения замедления.

 

       Рис. 4. Спираль в кольцах

Рис. 5. Спираль в кольцах с зазорами

 

При введении в кольца емкостных зазоров (рис. 5), влияние колец несколько уменьшается на низкочастотном краю рабочего диапазона и увеличивается с ростом частоты, уменьшая наклон дисперсионной характеристики вплоть до появления аномальной зависимости [7].

4. Поперечные опоры

Применение колец существенно упрощается при использовании для их крепления диэлектрической втулки с кольцевыми пазами или набора диэлектрических колец с разными диаметрами (рис. 6) [8]. Вызываемая диэлектрическими кольцами разной высоты анизотропия сопровождается уменьшением наклона дисперсионной характеристики (рис. 7), добавление металлических колец – уменьшением замедления.

 

Рис. 6. Модель спиральной ЗС в азимутально-проводящем
экране с кольцевыми опорами

 

Рис. 7. Дисперсионные характеристики спирали в экране:
1 - без заполнения диэлектриком; 2 – с диэлектрическим заполнением снаружи спирали

с относительной проницаемостью ; 3 –анизотропный диэлектрик

с радиальной проницаемостью  и продольной проницаемостью ;
4 - при , ;  значения  усреднены по длине

5. Биспираль в азимутально-проводящем экране

При исследовании спирали в азимутально-проводящем экране выяснилось, что такой экран не только уменьшает замедление и улучшает  взаимодействие с полем синфазной волны, но и увеличивает замедление противофазной волны, одновременно уменьшая продольное электрическое поле. Таким образом, происходит не только рассинхронизм волн, но и существенное уменьшение взаимодействия противофазной моды обратной волны с ЭП, исключающие самовозбуждение на обратной волне. Возбуждение на минус первой гармонике синфазной волны также исключается благодаря вдвое меньшей периодичности (вплоть до замедления равного 22.5).

На рис. 8 приведены экспериментальные зависимости замедления N от параметра , полученные на макетах двухзаходной спирали с теми же поперечными размерами и при той же  технологии изготовления, что и макеты ЗС, показанные на рис. 1. Кольца установлены над каждым витком спиралей, ширина колец составляет половину периода и приблизительно равна ширине витков спиралей. При этом период такой ЗС вдвое меньше шага каждой из спиралей.

 

Рис. 8. Экспериментальные зависимости замедления N от параметра : 

1 – синфазная мода в спирали без колец; 2 – синфазная мода в спирали с кольцами;
3 – противофазная мода в спирали без колец; 4 – противофазная мода в спирали с кольцами

 

Для разработки реальных ЛБВ на биспиралях с экраном из колец потребуется оптимизация ширины колец, зазора между спиралями и кольцами, включая выбор материала прокладок и технологии изготовления. Из рис. 8 видно, что кольца почти вдвое уменьшают замедление синфазной волны, существенно увеличивая замедление противофазной волны. Это делает возможным стабильную работу ЛБВ с такой ЗС при напряжениях 4060 кВ.

6. Биспираль с кольцевыми связками

Для устранения самовозбуждение на противофазной волне спирали соединяют кольцевыми связками [9]. При этом замедление становится значительно меньше, а наклон дисперсионной характеристики существенно увеличивается. Проведенные исследования показали, что уменьшая толщину связок, т.е. увеличивая их индуктивность, можно улучшить дисперсию и несколько увеличить замедление (рис. 9).

 

Рис. 9. Дисперсионные характеристики биспирали в изотропном экране
с радиусом  и периодом   равным    без связок - 1
и со связками из проволоки разного диаметра:  2 – диаметр; 3 – ; 4 - получена с лентой шириной равной ;
пунктирная прямая соответствует геометрическому замедлению спирали, равному 3.8

7. Кольца, соединённые связками

Как оказалось, неплохой альтернативой спиральной ЗС является продольный ряд колец, соединённых спиральными, наклонными или продольными связками [10, 11]. Основная особенность таких ЗС в небольшой зависимости замедления от периода. Это позволяет получать сколь угодно малую периодичность при относительно небольших замедлениях, т.е. возможность работать при напряжениях, значительно превышающих 10 кВ.

На рис. 10 показана ЗС в виде колец, соединённых двумя спиралями, радиус , которых, по крайней мере, вдвое меньше радиуса  колец. На рис. 11 показана дисперсионная характеристика такой ЗС в сравнении с характеристикой обычной спирали с тем же пролётным каналом и вдвое большим шагом. Из рисунка видно, что периодичность колец, соединённых спиралями, существенно меньше периодичности спирали при несколько меньшем замедлении и почти таком же наклоне дисперсионной характеристики. Периодичность определяется отношением сдвига фазы на период к .

 

Рис. 10. Модель ЗС

«кольца связанные спиралями»

Рис. 11. Дисперсионные характеристики и периодичность соединённых спиралями колец и обычной спирали (эксперимент)

 

II. Ленточный поток электронов

При увеличении рабочей частоты электрическое поле замедленной волны концентрируется около поверхности спирали, уменьшаясь на оси, т.е. в цилиндрическом ЭП. Поэтому ЛБВ с трубчатым ЭП, в частности цэфотроны, успешно работали на относительно высоких частотах при значениях параметра  больших двух [8]. Сплющивание спирали и применение ленточного потока, казалось бы, должно было позволить увеличить связь с ЗС на высоких частотах и, тем самым, увеличить предельные частоты ЛБВ. Последние работы Л.Н. Лошакова с его учениками были посвящены анализу ЛБВ с эллиптической спиралью [12, 13]. Предполагалось, что использование ленточного ЭП позволит увеличить ток при относительно малом напряжении и увеличить рабочую частоту. К сожалению, в случае прямоугольной спирали синхронизм нулевой и минус первой пространственных гармоник наступает при большем замедлении, чем в случае цилиндрической спирали, что практически исключает применение спирали в ЛБВ с ленточным ЭП.  В этом случае на смену спирали приходят штыревые ЗС, такие в частности как связанные штыревые гребёнки (рис. 12) [14] или обычные гребёнки  (рис. 13) и др. [15].

 

Рис. 12. Связанные штыревые гребёнки

Рис. 13. Связанные гребёнки

 

Отличительной особенностью связанных ЗС является возможность возбуждения как синфазной, так и на противофазной мод, т.е. осуществлять, как продольное, так и поперечное взаимодействие с ЭП.

1. Связанные импедансные проводники

В отличие от биспирали, обеспечивающей близкое к геометрическому замедление как синфазной, так и противофазной волны, ЗС, образованные параллельными импедансными проводниками с конфигурацией в виде зеркальных отображений друг друга, вызывают существенно меньшее, чем геометрическое замедление синфазной и существенно большее замедление противофазной волны. При этом продольное электрическое поле противофазной волы проходит через ноль в продольной плоскости симметрии. Таким образом, такие ЗС можно использовать как для продольного, так и для поперечного взаимодействия.

Сказанное подтверждается приведенными на рис. 14 дисперсионными характеристиками связанных штырей шириной . Даже при относительно большой высоте пролётного канала, равной , т.е. при относительно слабой связи между проводниками, значения замедления отличаются почти вдвое. Аналогичные зависимости имеют место и для других связанных ЗС.

 

Рис. 14. Дисперсионные характеристики ЗС связанные штыри.

 

Хотя синфазная и противофазная моды в связанных ЗС отличаются величиной замедления, в некоторых случаях возникает необходимость подавления противофазной моды. Сделать это можно с помощью поперечных связок по краям импедансных проводников.

2. ЗС «прямоугольные кольца»

Введение поперечных связок возвращает нас к ЗС, образованными связанными в продольном направлении кольцами, с той лишь разницей, что эти кольца имеют прямоугольное сечение. В результате была предложена показанная на рис. 15 новая ЗС, «наклонно-связанные прямоугольные кольца» [16]. Соединённые наклонными связками, кольца имеют достаточно малую периодичность при рабочих напряжениях порядка 2040 кВ, обеспечивая хорошее взаимодействие с ЭП в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах волн благодаря малой высоте пролётного канала.

 

Рис. 15. ЗС типа наклонно-связанные прямоугольные кольца.

 

Проводники с узкой стороны колец образуют индуктивность, в то время как проводники сверху и снизу – ёмкость. Выбором размеров можно обеспечить равенство фазовой скорости () и скорости ЭП. Кроме того, период может быть намного меньше того, при котором возможно возбуждение на обратной волне. Существенное преимущество такой ЗС в простоте изготовления (фрезеровкой конических пазов в прямоугольном волноводе).

Из рис. 16 видно, что в предложенной ЗС взаимодействие ЭП с продольным электрическим полем замедленной волны возможно лишь на основной (нулевой) моде. Следующие две моды не только практически не связаны с ЭП но, как это видно из дисперсионных характеристик, приведенных на рис. 17,  далеки от синхронизма с нулевой модой.

 

 

Рис. 16. Распределение электрического поля для разных мод

в ЗС "наклонно-связанные прямоугольные кольца" (из работы [16]).

 

Рис. 17. Зависимости частоты от сдвига фазы на период,

рассчитанные для трёх низших мод (из работы [16]).

3. Прямоугольный волновод со щелями

Боле простой, чем рассмотренная выше ЗС, является прямоугольный волновод со щелями (рис. 18) [17]. Несмотря на, казалось бы, короткое замыкание колец в продольном направлении, индуктивность связок и взаимная ёмкость колец обеспечивают замедление волны в достаточно широком диапазоне частот.

 

 

Рис. 18. Прямоугольный волновод со щелями

 

Приведенные на рис. 19 зависимости замедления от параметра  рассчитаны для трёх разных отношений ширины волновода к половине его высоты . Расстояние до экрана выбрано равным .  Точками показаны результаты измерений, полученные для .

 

Рис. 19. Дисперсионные характеристики волновода со щелями.

Заключение

На основании проведенных исследований показана возможность дальнейшего увеличения выходной мощности и рабочей частоты широкополосных ЛБВ.

Предложены варианты и модификации замедляющих систем с уменьшенной периодичностью, что позволяет использовать их при увеличенных напряжениях электронного потока без возбуждения на обратной волне.

Результаты анализа, компьютерного моделирования и непосредственных измерений подтверждают положительные свойства предложенных систем.

 

Литература

1.  А.с. №324674. СССР. МПК6 H01J23/22. Спиральная замедляющая система. Ю.Н. Пчельников, Н.П. Кравченко. Заявка № 1444459, опуб. 01.01.1972. Бюл. № 2.

2.  Тагер А.С., Солнцев В.А. Исследование дисперсии спиральной линии замедления с диэлектрическими опорами // Труды НИИ. 1955. Вып. 1. С. 21.

3.  Пчельников Ю.Н., Елизаров А.А. Анализ методов увеличения выходной мощности и рабочей частоты широкополосных ламп с бегущей волной // Радиотехника и электроника. 2009. Т. 54. № 9. С. 1082.

4.  Лошаков Л.Н., Пчельников Ю.Н. Увеличение мощности широкополосных ламп с бегущей волной // Изв. вузов СССР. Радиоэлектроника. 1978. Т. 21. № 10. С. 64.

5.  Scott A., Cascone M.J. What’s new in helix TWT’s // International Electron Devices Meeting: Technical Digest. Washington DC, USA. 1978. P. 536-530.

6.  Дёмина Г.Р., Изюмова Т.И., Пчельников Ю.Н. Влияние экрана с анизотропной проводимостью на дисперсионные свойства и коэффициент связи спиральной замедляющей линии // Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ. 1967. № 9. С. 41-49.

7.  Пчельников Ю.Н., Шумская Л.П. Спираль в экране с емкостной проводимостью в азимутальном направлении // Радиотехника и электроника. 1999. Т. 44. № 9. С. 1139.

8.  Пчельников Ю.Н. Коррекция дисперсионной характеристики спиральной замедляющей системы в лампах с бегущей волной // Радиотехника и электроника. 2011. Т. 56. № 4. С. 439.

9.  Kennedy J.B., Ferguson P.E., Christensen J.A. Techniques for high average power traveling-wave tubes // Conf. Electron Device Techniques, New York City, USA. 1970. P. 71.

10.    Pchelnikov Yu.N. Novel Slow-wave structure for high voltage TWTs // International Vacuum Electronics Conference (IVEC), IEEE International Conference Publications.  USA, Monterey. 2012. P. 273.

11.    Пчельников Ю.Н., Мирошниченко А.Ю. Замедляющая систем «продольно-связанные кольца» // Актуальные проблемы электронного приборостроения: материалы Междунар. науч.-техн. конф.  Саратов: 2012. С. 196-203.

12. Лошаков Л.Н., Шумская Л.П., Иванова Н.Е. К расчёту медленной волны в спиральной линии с эллиптическим сечением // Радиотехника и электроника. 1980. Т. 25. № 11. С. 2286.

13. Лошаков Л.Н., Шумская Л.П. Расчёт параметров связи электронного потока с полем спирали  эллиптического сечения // Радиотехника. 1983. № 12. С. 72.  

14.    Пчельников Ю.Н., Виноградов А.И., Пчельников А.Г. Исследование штыревых замедляющих систем // Радиотехника и электроника. 1997. Т. 42. №3. С. 267.

15.    Pchelnikov Yu.N. The sheet electron beam interaction with the in-phase mode in the opposing combs // International Vacuum Electronics Conference (IVEC), IEEE International Conference Publications.  USA, Monterey. 2010. P. 457.

16.    Pchelnikov Yu.N., Abe D.K. A novel millimeter-wave slow-wave structure for longitudinal interaction with a sheet electron beam // International Vacuum Electronics Conference (IVEC), IEEE International Conference Publications.  USA, Monterey. 2010. P. 495.

17.    Pchelnikov Yu.N. Slow-wave structure formed by rectangular rings // International Vacuum Electronics Conference (IVEC), IEEE International Conference Publications.  Rome, Italy. 2009. P. 235. 

[1]Исследование выполнено при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, соглашение № 14.B37.21.0909 «Исследование физических процессов в мощных многолучевых СВЧ электровакуумных приборах с электродинамическими системами, выполненными на основе многомодовых резонаторов», а также при поддержке «Navy Research Laboratory» (США).