RU177373U1

RU177373U1 - Энергоэффективная широкополосная усилительная цепочка на основе вакуумных свч приборов

Info

Publication number: RU177373U1
Application number: RU2017119804U
Authority: RU
Inventors: Юрий Александрович Калинин; Андрей Викторович Стародубов
Priority date: 2017-06-07
Filing date: 2017-06-07
Publication date: 2018-02-19

Abstract

Полезная модель относится к области вакуумной СВЧ-электроники и предназначена для усиления принципиально широкополосных и сверхширокополосных сигналов и может найти применение в системах связи (в том числе спутниковой), навигации, радиолокации. Технической проблемой данного технического решения является создание такой усилительной цепочки, которая могла бы преодолеть указанные выше недостатки существующего аналога и обеспечила получение усиления внешних широкополосных и сверхширокополосных полезных сигналов не менее 50 дБ. Технический результат, достигаемый в предложенном устройстве, состоит в повышении электронного КПД всей усилительной цепочки в целом до значения не менее 50 %, а технического КПД – не менее 60%, при сохранении механизма подавления паразитных сигналов. Техническая проблема решается тем, что в усилительной цепочке на основе вакуумных СВЧ-приборов, содержащей входную ЛБВ с вводом и выводом энергии, коаксиальную линию связи, один конец которой подключен к выводу энергии входной ЛБВ, выходную прозрачную ЛБВ с вводом и выводом энергии, согласно решению выходная прозрачная ЛБВ содержит прикатодную сетку, соединенную с вводом энергии, подключенным ко второму концу коаксиальной линии связи.

Description

Полезная модель относится к области вакуумной СВЧ-электроники и предназначена для усиления принципиально широкополосных и сверхширокополосных сигналов и может найти применение в системах связи (в том числе спутниковой), навигации, радиолокации.

Известны различные устройства усилительных цепочек на основе вакуумных СВЧ-приборов для усиления узкополосных и широкополосных СВЧ-сигналов. Развитие многоцелевой радиолокации, дальней тропосферной и космической связи, современных средств радиоэлектронного подавления (РЭП), а также перспективных информационных каналов систем управления оружием требует создания широкополосных усилителей СВЧ-колебаний большой мощности свыше 100 Вт. Наиболее перспективными электровакуумными приборами, позволяющими создать такие усилители, являются лампы бегущей волны (ЛБВ) О-типа с продольными электрическим и магнитными полями. Благодаря распределенному по длине взаимодействию электронного пучка с электромагнитным полем бегущей волны в приборах этого типа достигается значительное усиление при сравнительно небольшом токе пучка. Применение замедляющих систем со слабо выраженными резонансными свойствами обеспечивает усиление в широкой полосе частот, достигающей двух и более октав. Мощные ЛБВ непрерывного и импульсного режимов относятся к наиболее быстро развивающейся группе приборов СВЧ. Широкая полоса усиливаемых частот наиболее просто достигается применением спиральных замедляющих систем. Для получения предельных параметров по мощности и КПД широкое распространение также получили усилительные цепочки.

Известна усилительная цепочка, состоящая из предварительного усилителя на основе лампы бегущей волны (ЛБВ) с большим коэффициентом усиления и выходной "прозрачной" ЛБВ без встроенных поглотителей с небольшим коэффициентом усиления (7-9 дБ). Такая цепочка характеризуется высоким КПД, большим значением коэффициента усиления и большой полосой усиливаемых сигналов в случае работы усилительных ламп на спиральной линии замедления. В этом случае сигнал подают сначала на СВЧ-вход первой (входной) ЛБВ с большим коэффициентом усиления (30-40 дБ), содержащей встроенный СВЧ-поглотитель. Далее усиленный сигнал снимают через СВЧ-выход первой ЛБВ и через коаксиальную цепь связи подают на СВЧ-вход второй ЛБВ (выходной лампы). Усиленный сигнал снимают с СВЧ-выхода второй ЛБВ (статья Ильин E.М., Калинин Ю.А., Кудряшев В.П., Электронная техника. Серия 1. Электроника СВЧ. 1974. № 8. С. 33-39).

Недостатком такой схемы является то, что выходная прозрачная усилительная ЛБВ должна иметь малый коэффициент усиления (7-9 дБ). При больших коэффициентах усиления в усилительной цепочке начинает возникать паразитное возбуждение за счет отражения от нагрузки и СВЧ-выхода выходной прозрачной ЛБВ. Отраженный сигнал возбуждает непосредственно саму выходную прозрачную ЛБВ, а также по коаксиальной линии связи отраженный сигнал передается на выходную секцию входной ЛБВ, усиление которой составляет 15-20 дБ.

Наиболее близким техническим решением к заявляемой полезной модели является усилительная цепочка на основе вакуумных СВЧ-приборов (см. патент РФ на ПМ №160171, МПК H03F1/28, H01J25/34). Цепочка содержит последовательно расположенные входную ЛБВ с вводом и выводом энергии, коаксиальную линию связи, выходную прозрачную ЛБВ с вводом и выводом энергии и промежуточную прозрачную ЛБВ в режиме подавления входного сигнала. Причем вывод энергии входной ЛБВ соединен коаксиальной линией связи с выводом энергии промежуточной ЛБВ, а ввод энергии промежуточной ЛБВ соединен коаксиальной линией связи с вводом энергии выходной ЛБВ.

Недостатком такой схемы является наличие промежуточной лампы, требующей для своей работы определенных энергетических затрат, что отрицательным образом сказывается как на величине электронного КПД, так и на величине технического КПД всей усилительной цепочки в целом, значения которых не превышают 26 и 46% соответственно.

Технической проблемой данного технического решения является создание такой усилительной цепочки, которая могла бы преодолеть указанные выше недостатки существующего аналога и обеспечила получение усиления внешних широкополосных и сверхширокополосных полезных сигналов не менее 50 дБ.

Технический результат, достигаемый в предложенном устройстве, состоит в повышении электронного КПД всей усилительной цепочки в целом до значения не менее 50 %, а технического КПД – не менее 60%, при сохранении механизма подавления паразитных сигналов.

Техническая проблема решается тем, что в усилительной цепочке на основе вакуумных СВЧ-приборов, содержащей входную ЛБВ с вводом и выводом энергии, коаксиальную линию связи, один конец которой подключен к выводу энергии входной ЛБВ, выходную прозрачную ЛБВ с вводом и выводом энергии, согласно решению выходная прозрачная ЛБВ содержит прикатодную сетку, соединенную с вводом энергии, подключенным ко второму концу коаксиальной линии связи.

Полезная модель поясняется чертежами и таблицей.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема конструкции усилительной цепочки в целом.

На фиг. 2 представлена принципиальная схема конструкции выходной прозрачной ЛБВ с малым коэффициентом усиления.

В таблице 1 представлены выходные характеристики усилительных цепочек при фиксированной длине спиральной замедляющей системы.

Позициями на чертежах обозначены:

1. – входная ЛБВ;

2. – выходная прозрачная ЛБВ с малым коэффициентом усиления;

3. – коаксиальная линия связи;

4. – коаксиальный широкополосный ввод энергии входной ЛБВ;

5. – коаксиальный широкополосный вывод энергии входной ЛБВ;

6. – коаксиальный широкополосный ввод энергии выходной прозрачной ЛБВ;

7. – коаксиальный широкополосный вывод энергии выходной прозрачной ЛБВ;

8. – катод, входящий в состав катодно-сеточного узла выходной прозрачной ЛБВ;

9. – прикатодная сетка, входящая в состав катодно-сеточного узла выходной прозрачной ЛБВ;

10. – анод выходной прозрачной ЛБВ;

11. – спиральная замедляющая система выходной прозрачной ЛБВ;

12. – коллектор выходной прозрачной ЛБВ.

Усилительная цепочка на основе вакуумных СВЧ-приборов (фиг. 1) содержит последовательно расположенные входную ЛБВ 1 с большим коэффициентом усиления с вводом 4 и выводом 5 энергии, коаксиальную линию связи 3, выходную прозрачную ЛБВ с малым коэффициентом усиления 2, содержащую катод 8, прикатодную сетку 9, коаксиальный широкополосный ввод энергии 6, анод 10, спиральную замедляющую систему 11, коаксиальный широкополосный вывод энергии 7 и коллектор 12.

Каждая ЛБВ, входящая в состав усилительной цепочки, снабжена вводом и выводом энергии. Ввод энергии 4 входной ЛБВ 1 является входом заявляемой усилительной цепочки, а вывод энергии 5 входной ЛБВ 1 соединен посредством коаксиальной линии связи 3 с вводом энергии 6 выходной прозрачной ЛБВ 2. Ввод энергии 6 выходной прозрачной ЛБВ с малым коэффициентом усиления 2 соединен с прикатодной сеткой 9 (фиг. 2) катодно-сеточного узла, а коаксиальный широкополосный вывод энергии 7 выходной прозрачной ЛБВ 2 является выходом заявляемой усилительной цепочки.

В качестве входной усилительной ЛБВ 1 может быть использована ЛБВ с большим коэффициентом усиления 30-40дБ, содержащая встроенный поглотитель.

В предлагаемой схеме усилительной цепочки отсутствует промежуточная прозрачная ЛБВ, а механизм подавления паразитных сигналов реализуется за счет того, что СВЧ-вход в выходной ЛБВ отсоединен от спиральной замедляющей системы.

Полезная модель работает следующим образом.

Полезный СВЧ-сигнал подают на ввод энергии 4 входной ЛБВ 1. Далее усиленный сигнал снимают с вывода энергии 5 входной ЛБВ 1 и через коаксиальную цепь связи 3 подают на ввод энергии 6 выходной прозрачной ЛБВ с малым коэффициентом усиления 2. Электронный поток в выходной прозрачной ЛБВ 2 эмитируется с катода 8 за счет приложенного ускоряющего напряжения на аноде 10 и проходит через прикатодную сетку 9. На прикатодную сетку 9, расположенную непосредственно сразу после катода 8 и перед анодом 10, подается внешний сигнал с входной ЛБВ 1. Электронный поток, проходя через прикатодную сетку 9, модулируется по скорости в соответствии с приложенным на нее внешним сигналом. Далее распространяясь в пространстве дрейфа в электронном потоке, группировка по скорости переходит в группировку по плотности. Сгруппированный электронный поток, распространяясь вдоль замедляющей системы 11, наводит в ней усиленный полезный СВЧ-сигнал, который снимают через вывод энергии 7 выходной прозрачной ЛБВ 2. Так как спиральная замедляющая система 11 не связана с прикатодной сеткой 9, то любое возникающее паразитное возмущение не передается на прикатодную сетку 9, и соответственно, на ввод энергии 6 выходной прозрачной ЛБВ 2. Соответственно через коаксиальную линию связи 3 не передается паразитного возмущения на вывод энергии 5 входной ЛБВ 1 и соответственно ее выходная усилительная секция не возбуждается паразитным возмущением. Таким образом, за счет развязки вывода энергии 7 и ввода энергии 6 в выходной прозрачной ЛБВ 2, паразитный сигнал не поступает на вывод энергии 5 выходной секции входной ЛБВ 1 и соответственно предотвращается ее паразитное возбуждение, тем самым, формируя механизм подавления паразитных возмущений.

Проведенные экспериментальные исследования показали, что при фиксированной длине спиральной замедляющей системы коэффициент усиления выходной прозрачной ЛБВ (в режиме отсутствия самовозбуждения) составляет 8.4 дБ для прототипа и 13.2 дБ для заявляемой полезной модели. При увеличении длины спиральной замедляющей системы выходной прозрачной ЛБВ ее коэффициент усиления, при котором наблюдается устойчивая работа цепочки, возрастает для прототипа до 12.5 дБ, а для заявляемой полезной модели – до 17.6 дБ. Выходные характеристики цепочек при фиксированной длине спиральной замедляющей системы представлены в таблице 1. Электронный КПД (η_e) усилительной цепочки в целом составляет 52%, технический КПД (η) составляет 63% при коэффициенте усиления (G) всей цепочки 53 дБ.

Таким образом, в ходе проведенных экспериментальных исследований показано достижение заявленного результата: повышение электронного КПД всей усилительной цепочки в целом до значения не менее 50%, а технического КПД – не менее 60%, при сохранении механизма подавления паразитных сигналов.

Claims

Усилительная цепочка на основе вакуумных СВЧ-приборов, содержащая входную лампу бегущей волны (ЛБВ) с вводом и выводом энергии, коаксиальную линию связи, один конец которой подключен к выводу энергии входной ЛБВ, выходную прозрачную ЛБВ с вводом и выводом энергии, отличающаяся тем, что выходная прозрачная ЛБВ содержит прикатодную сетку, соединенную с вводом энергии, подключенным ко второму концу коаксиальной линии связи.