Дипломная работа: Усилитель мощности миллиметрового диапазона длин волн

В конце шестидесятых начались работы по созданию усилительных цепочек на ЛБВ, выходным каскадом в которых являлась «прозрачная» для СВЧ-сигнала ЛБВ без поглощающей вставки с усилением 7...17дБ. Первоначально они предназначались для обеспечения непрерывно-импульсного режима работы (входная ЛБВ работала в непрерывном режиме, выходная - в импульсном). Были изготовлены экспериментальные образцы усилителя. Впоследствии был выполнен цикл исследований и разработок широкополосных усилительных цепочек, обеспечивающих уровень выходной мощности 500 Вт в диапазоне 1... 8 ГГц. Для повышения устойчивости таких цепочек был предложен «ЛБВ-вентиль», основанный на взаимодействии СВЧ-сигнала с быстрой волной пространственного заряда[2].

Таблица 1- Этапы развития техники ЛБВ

Время	60-е годы	70-80-е годы	90-е годы ,
Достижения в технологии и конструировании	Магнитная периодическая фокусирующая система (МПФС). Специальные сплавы на основе меди. Импрегнированныкатоды.Токоперехватывающая и теневая сетки. Разработкаметодов триангуляции.	МПФС на основе SmCo-Плющенка из молибдена, фольфрама, сплава МАГТ-0.2.Сетки из гафния .Разработка комплексированных устройств с источниками питания.	ВЧ пакеты с анизотропным экраном.Разработка методов термообжатия и термо вставления.
Достигнутые параметры: верхняя частота Выходная мощность Полоса уиливаемых частот идентичность амплитуды и фазы КПД	10 ГГц 200 Вт непр. 1 кВт имп 2:1 ± 3 дБ; ± 40дБ 10... 15%	40 ГГц 500 Вт непр. 10 кВт имп 3: 1 ± 2 дБ; ± 30дБ 20... 25%	40 ГГц 1000 Вт непр 10 кВт имп 3: 1 ± 1 дБ: ± 25дБ 20... 30%

Эти работы способствовали тому, что второе поколение широкополосных приборов и усилителей, , было на уровне лучших мировых аналогов, нашло широкое применение в радиоаппаратуре и позволило резко увеличить промышленный выпуск приборов и комплексированных устройств на их основе.

В девяностые годы усилия разработчиков были направлены на усовершенствование конструкции и технологии изготовления, достижение максимальных значений выходной мощности и ширины полосы усиливаемых частот, КПД, амплитудной и фазовой идентичности, уменьшение шумов, снижение массы и габаритных размеров. Практически была создана методология оптимального построения сверхширокополосных ЛБВ с учетом требований по перечисленным параметрам и разработанных конструктивно-технологических приемов и методов

1.Современное состояние разработок усилителей мощности миллиметрового диапазона длин волн

1.1 Применение ЛБВ в радиолокационно-связной аппаратуре

Лампы бегущей волны продолжают оставаться одним из важнейших комплектующих элементов, определяющих технический уровень спутников связи. Этот тип ЭВП обладает превосходными рабочими и эксплуатационными характеристиками:

широкой полосой рабочих частот,

большим коэффициентом усиления и КПД,

выходной мощностью от десятков до сотен ватт,

высокой устойчивостью к внешним воздействиям,

термостабильностью параметров

высокой надежностью при долговечности до 100 тыс. ч и более.

Они допускают эксплуатацию в гораздо более жестких режимах, чем твердотельные приборы.

Направления работ по повышению технического уровня ЛБВ, определяются потребностями развития систем связи . С целью удовлетворения этих потребностей ведутся как перспективные исследовательские работы, обеспечивая высокий технический уровень своей продукции, так и опытно-конструкторские разработки для комплектации новых систем связи и промышленное производство разработанных ранее ЛБВ [3].

Результаты разработки и особенности технологии производства ЛБВ

В последние годы наибольший объем работ, был направлен на повышение надежности, ресурса и КПД ЛБВ, улучшение спектра и фазовых характеристик ее выходного сигнала, улучшение массогабаритных параметров. Для этого были исследованы пути увеличения эффективности энергообмена в пространстве взаимодействия ЛБВ с широкополосными электродинамическими структурами и возможности рекуперирования остаточной энергии электронных потоков с широким спектром энергий электронов.

В таблице 1.1 приведены основные параметры широкополосных ЛБВ непрерывного действия, разработанных за последние 10 лет. Описание конструкции и характеристик некоторых из них позволяют составить представление о том, как практически решается задача оптимизации основных характеристик широкополосных спиральных ЛБВ.

Таблица 1.1- Современные ЛБВ

Прибор	F,ГГц	P,вых,Вт	Кус,Дб	Uсп,кВ	Iк,мА	Uк,кВ	Размеры, мм Масса, кг	Охлаждение
УВ-А3001	1...2	400	40	5	440	3,2	1040х82х86 10	Жидк.
УВ-АЗ002	1...2	1000	30	8.3	840	6	977х88х128 14	Жидк.
УВ-АЗООЗ	2...4	400	40	5.4	440	3.4	642х82х86 7	Жидк.
УВ-А3004	2...4	1000	30	9.2	840	6,5	862х100х128 12	Жидк,
УВ-АЗООб	4...8	180	40	7.5	250	4.5	500х100х75 3	ВОЗД.
УВ-А3008	8...12	200	35	7.5	250	4.5	450х100х75 3	Конд.
УВ-А3018	7,5.. 18	250	33	10.4	330	6.5/3	450х55х75 3	Конд
УВ-А3020	18..26	10	30	10	40	5	350х54х80 2.0	ВОЗД
УВ-А3021	26...40	10	35	11	100	6	350х54х57 2,0	Конд.

Лучшие результаты получены в лампах со спиральными замедляющим

и системами (ЗС) малого диаметра, в которых для снижения СВЧ-потерь используется спиральный проводник прямоугольного сечения из материала МАГТ-0,2 с проводимостью по постоянному току, близкой к проводимости меди (не менее 85%). В таких ЗС реализованы схемы согласования фазовых скоростей в СВЧ волновом пакете с энергетическими характеристиками электронного потока вдоль пространства взаимодействия лампы, обеспечивающие передачу СВЧ-полю на частоте первой гармоники 60... 75% энергии электронов компактного сгустка, содержащего до 80% электронов на периоде СВЧ-волны [A1] .

Высокая эффективность энергообмена в пространстве взаимодействия, низкие потери СВЧ-мощности в ЗС и удобный для многоступенчатого рекуперирования спектр энергий электронов в электронном потоке на входе в коллектор при применении новых конструкций спиральных ЗС позволили увеличить электронный КПД в средней части сантиметрового диапазона до 30... 36% , а технический КПД ЛБВ с трехступенчатым коллектором электронов - до 56%. При этом были улучшены и другие параметры, влияющие на качество выходного сигнала усилителя [4]:

относительный уровень выходной мощности на частоте второй гармоники снизился до минус 25 дБ, максимальное значение коэффициента амплитудно-фазовых преобразований при изменении входных мощностей от нулевой до входной мощности, соответствующей режиму насыщения, уменьшилось до 6 град/дБ.

Полученные данные позволили сделать вывод, что в ЛБВ с электронным КПД более 30% при сопровождении электронного потока в периодических магнитных полях может быть достигнуто токопрохождение на коллектор в динамическом режиме более 97%. Увеличение электронного КПД привело к уменьшению удельного токоотбора с поверхности катода и увеличению долговечности ЛБВ [A2]. Последующее увеличение долговечности до 100 тыс ч и более стало возможным после разработки специальных технологических процессов, методов контроля качества, обеспечивающих производство основных узлов ЛБВ повышенной надежности металлокерамических, катодных, ЗС, узлов связи и МПФС.

Основные электрические параметры ряда приборов:

Рвых - выходная мощность на частоте первой гармоники,

Ky - коэффициент усиления,

I 0 -ток катода (суммарный ток электродов),