автореферат диссертации по электронике, 05.27.02, диссертация на тему:Повышение фазовой стабильности сигнала в лампе бегущей волны

На правах рукописи

КУДРЯШОВ АЛЕКСАНДР ГЕННАДИЕВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ФАЗОВОЙ СТАБИЛЬНОСТИ СИГНАЛА В ЛАМПЕ БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ

Специальность 05.27.02 - Вакуумная и плазменная электроника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

21 окт т

005563586

Саратов-2015

005563586

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Сивяков Борис Константинович

Официальные оппоненты: Трубецков Дмитрий Иванович

член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского», заведующий кафедрой электроники, колебаний и волн

Торгашов Геннадий Васильевич

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, Саратовский филиал Института радиотехники и электроники имени В.А. Котельникова РАН, заведующий лабораторией микро-и наноэлектроники

Ведущая организация: АО «НПП «Исток» им. Шокина»,

г. Фрязино Московской области

Защита диссертации состоится «26» ноября 2015 г. в 13.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.01 при ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» по адресу: 410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77, СГТУ, корп. 1, ауд. 414.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» и на сайте www.sstu.ru

Автореферат разослан « А^а » сентября 2015 г.

Учёный секретарь / /I/ у) Ол Димитрюк

диссертационного совета ( Александр Александрович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность

Лампа бегущей волны (ЛБВ) является одним из наиболее распространенных СВЧ-приборов. Уже многие десятилетия она лидирует на мировом рынке вакуумной СВЧ-электроники, достигая 70% и более от общего объёма продаж. Характеристики современных ЛБВ во многом уникальны: КПД до 75% и время непрерывной работы свыше 15-20 лет в бортовых космических приборах, ширина полосы до двух октав и более в ЛБВ для систем радиоэлектронной борьбы (РЭБ), выходная мощность несколько сотен киловатт в приборах для РЛС, обеспечение самых жестких требований по механическим и климатическим воздействиям; все это позволяет использовать приборы в самых разнообразных и, прежде всего, военных системах радиоэлектроники. Большой вклад в развитие теории и техники ЛБВ внесли как зарубежные (Р. Компфнер, Дж. Пирс, И.Е. Роу, Л. Клемгшт, A.C. Гилмор), так и отечественные (Л.А. Вайнштейн, В.Т. Овчаров, В.А. Солнцев, Н.М. Советов, A.C. Победоносцев, A.M. Кац, Д.И Трубецков, В.П. Кудряшов, Б.К. Сивяков, И.А. Манькин, Д.Д. Милютин) и многие другие ученые. Характеристики приборов постоянно совершенствуются и в настоящее время.

Однако наряду с многочисленными достоинствами ЛБВ присущ и серьезный недостаток - высокая чувствительность фазы выходного сигнала к изменению напряжения электронного пучка, что обусловлено самим принципом длительного и, следовательно, протяженного (на большой длине) нерезонансного взаимодействия. Это приводит к повышенному уровню модуляционных шумов в усилителях на основе ЛБВ и, как следствие, к снижению важнейших тактико-технических характеристик аппаратуры, прежде всего, при использовании в радиолокационных системах (РЛС). Ограничивается возможность использования ЛБВ и в некоторых других радиоэлектронных системах, а также снижается ее конкурентоспособность с усилителями на твердом теле. Несмотря на более чем семидесятилетнюю историю развития ЛБВ, этот недостаток не устранен, и при конструировании усилителей в основном применяются схемотехнические решения в источниках питания, направленные на уменьшение уровня пульсаций, прежде всего, напряжения замедляющей системы (ЗС). Известный метод использования разнополярных зависимостей фазы выходного сигнала от напряжения и тока пучка, во-первых, нельзя использовать в источниках питания ЛБВ, не имеющих отдельного электрода, управляющего током пучка, и, во-вторых, он приводит к резкому увеличению амплитудных модуляционных шумов.

В условиях постоянно растущих требований к качеству спектра выходного сигнала радиопередающих СВЧ-устройств задача кардинального уменьшения фазовой чувствительности выходного сигнала

ЛБВ к изменению напряжения источников питания представляется одной из наиболее актуальных в современной вакуумной СВЧ-электронике.

Степень разработанности темы исследования

Вопросам создания ЛБВ с малой фазовой чувствительностью к изменению напряжений источников питания посвящено ограниченное число работ, и объём теоретических и экспериментальных исследований в них представляется явно недостаточным. Впервые в работе [1] для создания ЛБВ с практически нулевой фазовой чувствительностью в определенном интервале изменения напряжения электронного пучка было предложено использование секций несинхронного взаимодействия, однако предложенные в этой работе варианты построения таких приборов до настоящего времени не нашли полноценной теоретической и э кс п ер и м е нтал ь н о й проверки. Осложняло работу то обстоятельство, что в работе [1] все расчеты были сделаны для ЛБВ без локального поглотителя, который в приборе с высоким коэффициентом усиления, безусловно, необходим для обеспечения стабильной работы прибора.

В патенте [2], предложенном в развитие работы [1], локальный поглотитель учитывался, однако отсутствовали сведения о ширине интервала изменения напряжения пучка, в котором наблюдаегся стабилизация фазы, что чрезвычайно важно для практического применения ЛБВ. В результате к моменту начала выполнения данной работы отсутствовали как экспериментальные образцы приборов с близкой к нулевой фазовой чувствительностью, так и проверенная методология их проектирования.

В настоящее время математический аппарат и существующие теории взаимодействия в ЛБВ позволяют провести полноценные исследования всех особенностей построения таких приборов. Существующее современное метрологическое обеспечение позволяет также провести все необходимые измерения экспериментальных приборов с требуемой точностью.

Целью диссертационной работы является повышение фазовой стабильности сигнала в ЛБВ и создание экспериментальных образцов прибора (получившего название фазостабильной ЛБВ), обладающего минимальной (близкой к нулевой) фазовой чувствительностью сигнала в определенном интервале изменения напряжения пучка.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие научные и практические задачи:

1. Теоретически исследовались характеристики несинхронного взаимодействия электромагнитной волны с электронным потоком применительно к проблеме создания фазостабильных приборов, а также к некоторым другим задачам улучшения характеристик ЛБВ различного назначения.

2. Проводился анализ возможных конструкций фазостабильной ЛБВ, определялись наиболее перспективные для практического использования

варианты построения пространства взаимодействия и разрабатывалась методология их проектирования.

3. Выполнялись расчеты, проектирование и изготовление экспериментальных образцов двух разновидностей фазостабильной ЛБВ (с участками подавления сигнала и крестатронного режима в секции компенсации) на основе серийно выпускаемого прибора.

4. Теоретически и экспериментально исследовались характеристики фазостабильных ЛБВ различной конструкции, проводилось их сопоставление по важнейшим параметрам и сравнение с обычными нефазостабильными приборами. Рассматривались возможности совершенствования основных характеристик фазостабильных ЛБВ.

5. Проводилась расчеты и измерения модуляционных колебаний и спектра выходного импульсно-модулированного СВЧ-сигнала в импульсных усилителях на фазостабильных приборах и их сравнение с усилителями на обычных ЛБВ.

Научная новизна работы состоит в том, что впервые:

1. Теоретически и экспериментально показана возможность практического создания ЛБВ с высоким (25...30 дБ и более) коэффициентом усиления и минимально возможной (близкой к нулевой) фазовой чувствительностью к изменению напряжения и тока пучка за счёт применения во входной секции прибора участка несинхронного взаимодействия.

2. Разработана методология проектирования фазостабильных ЛБВ различной конструкции, включающая аналитические соотношения для определения параметров ключевого элемента таких приборов -компенсирующей секции.

3. Показано, что в зависимости от конструкции компенсирующей секции (с участком подавления сигнала или участком крестатронного режима) фазостабильные ЛБВ имеют существенно различные технические характеристики (прежде всего, модуляционные и частотные), что необходимо учитывать при использовании таких приборов в радиоэлектронной аппаратуре.

4. Теоретически и экспериментально показано, что применение в усилителях СВЧ-фазостабильных ЛБВ позволяет снизить уровень модуляционных шумов на 10-15 дБ и более, а также улучшить спектр выходного радиосигнала в режиме импульсной модуляции.

Практическая значимость работы:

1. Предложенные конструкции и методология их проектирования являются основой для разработки новой разновидности СВЧ-прибора -фазостабильной ЛБВ, обладающей малой (близкой к нулевой) чувствительностью фазы выходного сигнала к изменению напряжения и тока электронного пучка.

2. По результатам исследований и в соответствии с проведенными расчетами в АО «НПГ1 Алмаз» были разработаны два типа фазостабильной

ЛЕВ (с участком крестатрошшго режима и участком подавления сигнала), которые подтвердили заданные параметры и будут использованы при создании СВЧ-усилителей для РЛС.

3. При разработке СВЧ-усилителей для радиоэлектронных систем различного назначения целесообразно применять схемы построения с использованием фазостабильных ЛБВ как элемента, обеспечивающего более высокое качество выходного сигнала.

Методология и методы исследования. При проведении теоретических исследований применялись известные методы расчета взаимодействия электромагнитной волны с электронным потоком по линейной теории ЛБВ, по одномерной нелинейной теории ЛБВ, по программе SIGNAL разработки СГТУ имени Гагарина Ю.А., широко использовалась аппроксимация полученных расчетных зависимостей. Экспериментальные исследования проводились с использованием стандартизованных методик измерения и на аттестованном оборудовании.

Положения, выносимые на защиту

1. Применение участков несинхронного взаимодействия во входной секции ЛБВ позволяет достичь резкого (вплоть до нулевых значений) уменьшения чувствительности фазы выходного сигнала в 3-7% интервале изменения напряжения электронного пучка.

2. Доказано, что наилучшие характеристики фазостабильных ЛБВ достигаются, когда компенсирующая секция состоит из последовательно соединенных участков несинхронного и усилительного режимов.

3. Установлено, что в фазостабильной ЛБВ с участком несинхронного крестатронного режима обеспечиваются большие значения коэффициента усиления (при фиксированной длине прибора) или меньшая длина (при заданном коэффициенте усиления) и меньшая критичность основных параметров к точности изготовления элементов компенсирующей секции, чем в ЛБВ с несинхронным участком подавления. Фазостабильная ЛБВ с участком подавления характеризуется большим интервалом напряжения пучка, в котором наблюдается стабилизация фазы.

4. Наиболее широкая полоса рабочих частот (до 10% и более) в фазостабильной ЛБВ с участком подавления достигается при нормальной дисперсии замедляющей системы на этом участке, а в ЛБВ с крестатронным участком - при аномальной дисперсии.

5. Фазостабильные ЛБВ позволяют снизить уровень модуляционных колебаний (шумов) на 10-15 дБ и более, а также улучшить спектр импульсного выходного радиосигнала СВЧ-усилителей.

Степень достоверности и апробация результатов. Теории и применяемые методы расчета являются широко используемыми при проектировании ЛБВ на предприятиях радиоэлектронного комплекса РФ, прошли многолетнюю проверку и обеспечивают необходимую достоверность результатов. При проведении измерений экспериментальных образцов применялись стандартизованные методы

измерения электрических параметров ЛБВ и аттестованное оборудование. Данные расчетов и экспериментов хорошо согласуются между собой.

Теоретические и практические результаты работы обсуждались на семинарах кафедры «Электротехника и электроника» Энергетического факультета ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» и на следующих научно-технических конференциях и семинарах:

1. Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения, АПЭП -2014» (Саратов, 2014).

2. Международной научно-технической конференции «Математические методы в технике и технологиях (ММТТ-27)» (Саратов, 2014).

3. Международной зимней школе-семинаре по радиофизике и электронике сверхвысоких частот «Современные проблемы электроники СВЧ и ТГц диапазонов» (Саратов, 2015).

4. Международной научно-технической конференции «Математические методы в технике и технологиях (ММТТ-28)», (Саратов, 2015).

5. Шестнадцатой Международной конференции по вакуумной электронике «1УНС-2015» (Пекин, КНР, 2015).

Публикации. По материалам диссертационного исследования опубликовано 9 печатных работ, из них 3 статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ.

Личный вклад автора заключается в следующем:

1. Определены цель, задачи, методы и средства исследований.

2. Принималось непосредственное участие в проведении расчетов и измерении приборов.

3. Выполнялся анализ полученных результатов и необходимая корректировка в проведении исследований.

4. Предложен вариант практической реализации фазостабильной ЛБВ на базе серийно выпускаемого изделия.

5. Сформулирована методология проектирования новой разновидности СВЧ-прибора- фазостабильной ЛБВ.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, трёх глав и заключения. Диссертационная работа содержит 101 страницу, 42 рисунка и 7 таблиц. Список литературы состоит из 50 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, приведены цель работы, положения, выносимые на защиту, научная новизна и практическая значимость работы, реализация результатов и апробация работы.

В первой главе рассматривается теоретическая возможность применения несинхронных режимов для уменьшения фазовой

чувствительности ЛБВ, а также возможные конструкции фазостабильного прибора и методология его проектирования.

Несинхронные режимы взаимодействия электронного потока с бегущей электромагнитной волной в ЛБВ наблюдаются при больших положительных и отрицательных значениях параметра несинхронности, при которых отсутствует экспоненциальное усиление входного сигнала и которые непосредственно примыкают к зоне усиления [1] (рисунок 1).

Ч Рад Из приведённых зависимостей

видно, что обе зоны несинхронного взаимодействия (при больших положительных и при отрицательных значениях параметра несинхронности) характеризуются аномальными

(имеющими противоположный знак относительно усилительного режима) зависимостями фазы от параметра и, следовательно, пучка. Совмещая режимы с

в некотором напряжения минимальную к изменению

Рисунок 1 - Зависимости модуля Ку (7) и фазы <р (2) коэффициента усиления, а также модуля I (5) и фазы \|/ (4) тока от параметра несинхрош-юсти Ь при С=0,1,4=1,0, 0=2,3

Рисунок 2 - Схематическое изображение пространства взаимодействия фазостабильнои ЛБВ

несинхрош-юсти напряжения несинхронные усилительными, в интервале изменения можно получить чувствительность фазы напряжения пучка.

Исследования показали, что наиболее эффективная конструкция такого прибора, получившего название «фазостабильная ЛБВ», содержит во входной секции последовательно участки несинхронного и

усилительного режимов (рисунок 2).

Было установлено, что использование усилительного участка до определенной длины (которую можно считать длиной секции компенсации) позволяет увеличить крутизну аномальных фазовых характеристик сг руппированного тока и поля (рисунок 3). При последующем взаимодействии аномальная

характеристика компенсируется

зрадиционной (нормальной) фазовой характеристикой усилительного

режима.

и. «и

Ц»*в

Расчеты подтверждают, что фазовая стабильность ЛБВ может быть достигнута при использовании в секции компенсации участка как режима подавления, так и крестатронного режима.

Методология проектирования такой фазостабильной ЛБВ, может базироваться на предположении, что компенсирующая и усилительная секции характеризуются одинаковой фазовой чувствительностью, но имеют противоположные знаки в определенном интервале напряжений пучка. В результате взаимной компенсации фазовых характеристик на выходе прибора обеспечивается нулевая фазовая чувствительность. Порядок расчета может быть следующим.

На первом этапе рассчитывается ЛБВ классической конструкции с необходимыми характеристиками коэффициента усиления, мощности и КПД в заданном диапазоне частот. Для оптимального варианта прибора фиксируются значения амплитуд поля и первой гармоники тока на входе в секцию локального поглотителя.

На втором этапе идет определение параметров

компенсирующей секции. Несмотря на кардинальные отличия характеристик фазостабилыюго прибора от традиционной ЛБВ, конструкция компенсирующей секции может быть достаточно простой. Например, в спиральной ЛБВ можно ограничиться только корректировкой шага спирали на входном участке ЛБВ, увеличивая или уменьшая его для реализации выбранного несинхронного режима. Конкретные значения параметров несинхронного и усилительного участков определяются по полученным в работе приближенным соотношениям и уточняются путем расчета ЛБВ по нелинейным уравнениям.

Во второй главе приводятся результаты экспериментальной проверки возможности практической реализации фазостабильной ЛБВ. Для этого были спроектированы и изготовлены два типа фазостабильной

tt.ii)

Рисунок 3 - Зависимости коэффициента усиления Ку и фазы поля Д<р и тока у

от напряжения 11о замедляющей системы ЛБВ с секцией подавления длиной 0=1,85 в сечениях 0=1,85 (У), 0=4,2 (2) и 0=10,5 (3)

ЛБВ (с участками подавления сигнала и крестатронного режима в секции компенсации). В качестве базового прибора была выбрана серийно выпускаемая ЛБВ Х-диапазона оригинальной конструкции.

Для минимизации затрат и сохранения технологического цикла производства длина пространства взаимодействия и всего прибора оставалась неизменной, корректировка касалась только изменения шага спирали во входной секции, расположения поглотителей, а также был исключен разрыв в спирали (рисунок 4). Для более корректной оценки основных параметров экспериментальных приборов была рассчитана также обычная ЛБВ с коэффициентом усиления, соответствующим фазостабильному прибору (рисунок 4).

Рисунок 4 - Схематическое изображение пространства взаимодействия базового прибора (а), прибора с секцией крестатронного режима (б), прибора с секцией подавления (в) и базового прибора с коэффициентом усиления 30 дБ (г)

При выборе параметров пространства взаимодействия получение минимально возможной чувствительности фазы выходного сигнала к изменению напряжения электронного пучка было ограничено условием обеспечения реально значимого коэффициента усиления прибора (ориентировочно 25...30 дБ).

Расчеты показали, что и в реальной конструкции фазостабильной ЛБВ с локальным поглотителем имеется интервал изменения напряжения пучка, в котором фаза выходного сигнала практически постоянна (рисунок 5). При этом в приборе с участком подавления сигнала в секции компенсации коэффициент усиления получается несколько меньше, а интервал изменения напряжения пучка, в котором наблюдается

стабилизация фазы, больше, чем в приборе с участком крестатронпого режима.

Для обеих конструкции фазостабильной ЛБВ минимальная фазовая чувствительность соответствовала напряжениям пучка, при которых наблюдался явно выраженный минимум коэффициента усиления. С одной стороны, это позволяет подбором входного сигнала достичь нулевой амплитудной чувствительности, с другой - использовать этот минимум для создания схем автоматической настройки ЛБВ на фазостабильный режим.

Из сопоставления результатов расчета различных конструкций фазостабильных ЛБВ (рисунок 6) видно, что изменение длины участка подавления сигнала значительно сильнее влияет на характеристики ЛБВ; чем аналогичные изменения длины крестатронпого участка, однако интервал напряжения, в котором наблюдается пониженная фазовая чувствительность, для ЛБВ с участком подавления заметно больше.

Л([>/Ди,1рад'%

еот

Ц„ кП

Ц„кВ

11,а 12,0 12.2 12Л 12.1

12.8 13.0 13 2

1;,.кв

мм

Д1_!, ММ

Рисунок 5 - Зависимости фазы выходного сигнала (<р), коэффициента усиления (Ку) н КПД (г)-,) от напряжения пучка (Ыо) для приборов с участком подавления

сигнала в секции компенсации (1), с крестатронным участком (2), а также прибора с коэффициентом усиления 30 дВ(3)

Рисунок 6 - Зависимости фазовой чувствительности (Лф/Ди) и усиления (Ку) от длины ЛЬ| (относительно значений Ьо^бб мм для крестатронпого участка и участка мм для участка подавления) крестатронпого режима (1) и участка режима подавления сигнала (2)

Исследования также показали, что в приборе с участком подавления сигнала диапазон частот, в котором наблюдается стабилизация фазы, значительно больше, чем в приборе с участком крестатронного режима (рисунок 7). Таким образом, обе рассматриваемые конструкции фазостабильной ЛБВ имеют свои достоинства и недостатки и могут найти практическое использование в зависимости от требований к параметрам прибора, определяемых областью применения. Результаты измерений подтвердили справедливость результатов расчета обеих конструкций фазостабильных ЛБВ (рисунок 8). - ДфШ I, фал/% % рад

Рисунок 7 - Частотные характеристики

фазовой чувствительности (Дф/Аи), КПД (ц,) и коэффициента усиления (Ку) в режиме насыщения выходной мощности приборов с участком подавления (1) и крестатронным участком (сплошная линия и пунктир) (2), а также базовой ЛБВ с уменьшенным коэффициентом усиления (3)

Рисунок 8 - Зависимости фазы (<р) и коэффициента усиления (т|,) от напряжения (ио) в базовом приборе с коэффициентом усиления 30 дБ (1), в фазостабильной ЛБВ с крестатронной секцией (расчет - 2, эксперимент - 3) (а) и в фазостабильной ЛБВ с секцией подавления (расчет - 2, эксперимент - 3) (б)

Необходимо отметить, что фазостабильные ЛБВ допускают настройку режима работы на максимум других, например амплитудно-частотных характеристик, при этом их параметры могут не уступать (а зачастую и превосходить) параметры базового прибора, за исключением коэффициента усиления.

В третьей главе приводится исследование модуляционных шумов и внеполосных колебаний в усилителях на фазостабильных ЛБВ. Анализ этих параметров применительно к системе «фазостабильная ЛБВ -испытательный стенд», в которой испытательный стенд частично имитирует условия, свойственные штатному источнику питания, был проведен для первых экспериментальных образцов фазостабильных ЛБВ.

В качестве источника входного сигнала использовался генератор стандартных сигналов (FCC) E-8257D, а изучение спектра проводилось с помощью анализатора спектра Е-4440А (оба прибора производства фирмы Agilent Technologies). Распределения составляющих спектра выходного сигнала ГСС и различных типов ЛБВ представлены на рисунке 9.

Рисунок 9 - Спектры выходного сигнала ГСС (1), базового прибора (2), нефазостабильного аналога (3), фазостабильных ЛБВ с участком крестатронного режима (4) и с участком подавления сигнала (5)

Помимо частоты основного колебания, спектр ГСС содержит сигналы с уровнем, превышающим уровень собственных шумов

анализатора спектра, на частотах, отстоящих от несущей на 50, 63, и 150 Гц. Частоты 50 и 150 Гц являются частотой питающей электросети и её гармоникой, образованной в результате нелинейных процессов в источниках питания генератора, а частота 63 Гц — собственной частотой автогенератора прибора.

Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что сигнал генератора с частотой 63 Гц проходит через все типы ЛБВ без изменения уровня, что однозначно определяет его как продукт фазовой модуляции, и поэтому он может быть, исключен из последующего анализа. Другие сигналы ГСС являются продуктами амплитудной модуляции, и при прохождении через ЛБВ они резко снижаются, но при этом вносят свой вклад во вносимые фазовые шумы ЛБВ за счет амплитудно-зависимого фазового сдвига. В итоге наименьший уровень модуляционных колебаний был получен в ЛБВ с участком подавления сигнала, что вполне объяснимо, поскольку именно в этом приборе была реализована минимальная фазовая чувствительность к изменению напряжения пучка (замедляющей системы). По сравнению с фазовым прибором и нефазостабильным аналогом максимальный уровень составляющих спектра в этой ЛБВ уменьшился на порядок и более.

Расчеты амплитудных и фазовых шумов по измеренным модуляционным характеристикам типичного выходного каскада

доплеровской РЛС на основе базового прибора и фазостабильной ЛБВ

приведены на рисунке 10. Они свидетельствуют о том, что в интервале изменения напряжения ЗС 200 В амплитудные и фазовые в базовом приборе, а также фазовые шумы ЗС (J), флуктуации не превышают сетки (4) и амплитудные шумы (5) 125 дБ, что на 1,5-2 порядка

в фазостабильной ЛБВ ниже их значений для

с секцией подавления сигнала обычных усилителей.

Разработка фазостабильных ЛБВ, обладающих уменьшенным уровнем суммарного фазового сдвига и резким уменьшением его крутизны на больших (близких к насыщению) величинах выходной мощности, как можно предположить из анализа их модуляционных характеристик, позволяет рассчитывать на улучшение спектра импульсного радиосигнала. В работе проводится качественный анализ результатов измерений, который позволяет сделать вполне конкретные выводы о характеристиках спектра выходного сигнала в приборах различной конструкции. На

Рисунок 10. Расчетные фазовые (1) и амплитудные (2) модуляционные шумы

рисунке 11 приведены измеренные спектры радиосигналов для фазостабильных ЛБВ, их аналога и базового прибора в режиме насыщения выходной мощности при оптимальных напряжениях пучка.

Рисунок 11 - Спектрограммы серийной ЛБВ, фазостабильного аналога, а также фазостабильной ЛБВ с участком крестачронного режима и режима подавления сигнала

Видно, что фазостабильная ЛБВ с участком крестатронного режима на уровне составляющих спектра 40 дБ и менее (а именно такие уровни определяют внеполосные колебания) обеспечивает минимальную ширину спектра выходного сигнала СВЧ-усилителя, а базовый прибор и фазостабильная ЛБВ с участком подавления сигнала - максимальную.

В заключении диссертации сформулированы ее основные результаты:

1. Результаты теоретических и .экспериментальных исследований, а также успешная разработка двух образцов ЛБВ впервые показали, что возможно создание новой разновидности приборов, обладающей уменьшенной (вплоть до нулевых значений) чувствительностью фазы выходного сигнала к изменению в определенном интервале напряжения и тока электронного пучка. Это позволяет создавать на основе таких фазостабильных ЛБВ СВЧ-усилители со сниженным (на порядок и более)

уровнем модуляционных фазовых колебаний (шумов), а при определённых условиях и внеполосных колебаний модулированного сигнала. Коэффициент усиления таких приборов может достигать 25...30 дБ и более.

2. Создание фазостабильной ЛЕВ основано на применении во входной части пространства взаимодействия прибора секции компенсации, состоящей из последовательно соединённых участков несинхронного и усилительного режимов, и обладающей аномальной (противоположной по знаку относительно усилительного режима) зависимостью СВЧ-фазы сигнала от напряжения пучка. Параметры несинхронного участка могут обеспечивать либо режим подавления сигнала, либо крестатронный режим, поскольку оба варианта пригодны для выполнения этой задачи. По результатам проведённых исследований сформулированы требования к параметрам секции компенсации и разработана методология проектирования фазостабильной ЛЕВ в целом.

3. Теоретические и экспериментальные исследования характеристик фазостабильных ЛЕВ свидетельствуют о том, что каждой из вышеназванных конструкций прибора присущи свои достоинства и недостатки. В ЛЕВ с участком подавления сигнала интервал напряжений пучка, в котором достигается стабилизация фазы, значительно (примерно в 1,5 раза) больше, чем в приборе с крестатронным : участком, а максимальная рабочая полоса усиливаемых частот обеспечивается при слабой нормальной дисперсии, которая, как правило, соответствует типичной конструкции спиральной ЗС без анизотропного экрана, применяемого для расширения частотного диапазона. Главные недостатки ЛЕВ с участком подавления сигнала: высокая критичность мощности и фазы выходного сигнала к изменению параметров несинхронного участка, меньшие (по сравнению с прибором на основе крестатронного участка) коэффициент усиления и интервал изменения тока пучка, в котором наблюдается стабилизация фазы. Недостатки фазостабильной ЛЕВ с участком крестатронного режима: малый интервал изменения напряжения пучка, соответствующий стабилизации фазы, и практически обязательность использования на несинхронном участке средств управления дисперсией.

4. Конструкции фазостабильных ЛЕВ, как правило, незначительно отличаются от конструкции обычных ЛЕВ. Так, в спиральных приборах для достижения фазовой стабильности достаточно на определенной длине во входной секции ЛЕВ изменить шаг спирали до значений, соответствующих выбранному несинхронному режиму (режиму подавления сигнала или крестатронному). Простота реализации, высокая технологичность и минимальные производственные издержки в сочетании с получением уникальных фазовых характеристик позволяют предположить широкое использование фазостабильных ЛЕВ в радиоаппаратуре различного назначения и, прежде всего, в доплеровских

РЛС. В частности, они представляются незаменимыми для создания простых, надёжных и недорогих РЛС беспилотных летательных аппаратов.

5. При необходимости фазостабильные приборы за счёт изменения напряжения пучка могут быть отстроены от режима стабилизации фазы, при этом их основные параметры за исключением коэффициента усиления будут такими же, как и у обычных ЛБВ.

6. Выполненные в настоящей работе теоретические и экспериментальные исследования относились к наиболее простым вариантам реализации секции компенсации и фазостабильным ЛБВ в целом. Можно предположить, что дополнительное использование в пространстве взаимодействия таких широко известных средств, как скачкообразные и плавные изменения периода ЗС, применение анизотропных нагрузок и другие, могут привести и существенному улучшению параметров и этой новой разновидности СВЧ-прибора.

7. Результаты исследования несинхронных режимов работы показали, что, помимо решения главной в настоящей работе задачи, они могут быть полезны и в достижении других насущных целей. В частности, к ним относятся вопросы ликвидации «провалов» выходной мощности в сверхширокополосных ЛБВ, уменьшения коэффициента преобразования амплитудной модуляции в фазовую и другие.

Список цитируемой литературы

1. Кац, А. М. Фазовые характеристики ЛБВ в несинхронных режимах / А. М. Кац, В. П. Кудряшов, П. И. Суслин // Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ. - 1971. - Вып. 5. - С. 84-91.

2. Пат. 2046442 Российская Федерация, МП К Н0Ш5/34. Лампа бегущей волны / В. П. Кудряшов, Б. К. Сивяков, И. Б. Яковлева; Заявл. 21.05.1992; опубл. 20.10.1995, Бюл. №29.

Список опубликованных работ по теме диссертации В изданиях, рекомендованных перечнем ВАК РФ

1. Кудряшов, А. Г. Уменьшение фазовой чувствительности лампы с бегущей волной / В. В. Дёмин, Е. М. Ильина, А. Г. Кудряшов, Б.К. Сивяков [Электронный ресурс] // Журнал радиоэлектроники. - 2014. - № 12. - Режим доступа: http://jre.cplire.ru/iso/contents.Ыт1

2. Кудряшов, А. Г. Исследование характеристик фазостабильной лампы с бегущей волной / А. Г. Кудряшов, В. П. Кудряшов, Б. К. Сивяков // Вестник Саратовского государственного технического университета. —

2014.-№ 12.-С. 55-60.

3. Кудряшов, А. Г, Исследование спектра выходного сигнала усилителей на фазостабильных ЛБВ / В. В. Дёмин, Е. М. Ильина, А. Г. Кудряшов, Б.К. Сивяков [Электронный ресурс] // Журнал радиоэлектроники. -

2015. - № 6. - Режим доступа: http://jre.cplire.ru/iso/contents.html

В изданиях, входящих в базу цитирования Scopus

4. Кудряшов, А. Г. Фазостабильная ЛБВ / Б. К. Сивяков, А. Г. Кудряшов // Актуальные проблемы электронного приборостроения: материалы Междунар. науч.-техн. конф. Ч. 1. / Сарат. гос. техн. ун-т. -Саратов, 2014. — С. 21-24.

5. Кудряшов, А. Г. Применение несинхронного взаимодействия бегущих электромагнитных волн с электронным потоком для улучшения характеристик лампы с бегущей волной / Б. К. Сивяков, А. Г. Кудряшов, Е.М. Ильина // Актуальные проблемы электронного приборостроения: материалы Междунар. науч.-техн. конф. Ч. 1 / Сарат. гос. техн. ун-т. — Саратов, 2014. -. - С. 86-89.

Другие публикации

6. Кудряшов, А. Г. Применение секции крестатронного режима для создания фазостабильной ЛБВ / А. Г. Кудряшов, Б. К. Сивяков // Техническая электродинамика и электроника: сб. науч. тр. - Саратов: СГТУ, 2013.-С. 33-36.

7. Кудряшов, А. Г. Разработка фазостабильной лампы с бегущей волной / А. Г. Кудряшов, Б. К. Сивяков // Математические методы в технике и технологиях (ММТТ-27): сб. науч. тр. по материалам XXVII Междунар. науч. конф. - Ч. 1. - Саратов, 2014. - С. 147-148.

8. Кудряшов, А. Г. Фазостабильная ЛБВ / А. Г. Кудряшов, Б. К. Сивяков // Вопросы электротехнологии. - Саратов, 2014. - № 3(4). - С. 59-61.

9. Кудряшов, А. Г. Применение секции с несинхронным взаимодействием для улучшения характеристик лампы с бегущей волной / А. Г. Кудряшов, Б. К. Сивяков, Е. М. Ильина // Вопросы электротехники и электроники: сб. науч. тр. - Саратов: СГТУ, 2014. - С. 31-35.

Подписано в печать 15.09.15 Формат 60x84 1/16

Бум. офсет. Усл. печ. л. 1,0 Уч.-изд. л. 1,0

Тираж 100 экз. Заказ 108 Бесплатно

Саратовский государственный технический университет

410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Отпечатано в Издательстве СГТУ. 410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Тел.: 24-95-70; 99-87-39, e-mail: izdat@sstu.ru