автореферат диссертации по электронике, 05.27.02, диссертация на тему:Теоретическое исследование процессов энергообмена поперечных волн электронного потока и на этой основе исследование и разработка электронных защитных устройств на быстрой циклотронной волне с малым (порядка 101нс) временем восстановления

2 'I ФЕВ 1997

фъУГ

На правах рукописи УДК: 621.385.6

БЫКОВСКИЙ СЕРГЕЙ ВАСИЛЬЕВИЧ

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ЭНЕРГООБМЕНА ПОПЕРЕЧНЫХ ВОЛН ЭЛЕКТРОННОГО ПОТОКА И НА ЭТОЙ ОСНОВЕ ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРОННЫХ ЗАЩИТНЫХ УСТРОЙСТВ НА БЫСТРОЙ ЦИКЛОТРОННОЙ ВОЛНЕ-С МАЛЫМ (ПОРЯДКА 101 не) ВРЕМЕНЕМ ВОССТАНОВЛЕНИЯ

Специальность 05.27.02 "Вакуумная и плазменная электропика"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Фрязино 1996

Работа выполнена в Государственном научно-производственном предприятии "Исток"

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор В. А. Банке

Официальные оппонент:

доктор физико-математических наук, профессор В. А. Солнцев

кандидат технических наук, старшии научный сотрудник И. И. Голеницкий

Ведущая организация:

Государственное научно-производственное предприятие "Торий", г. Москва

Защита состоится п1%п МО^ТО- 1997 года в часов на заседании

диссертационного совета ДР142.03.01 при ГНПП "Исток" по адресу: 141120, г. Фрязино Московской обл., ГНПП "Исток".

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНПП "Исток". Автореферат разослан О 3< 1997 г.

Ученый секретарь /¿Г/ -'V' \ *

диссертационного совета, 151 . , ГУ<У.с/С'.

\ 03 \

кандидат физико-матсматаческвд^

Э. В. Погорелова

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Электростатические усилители (ЭСУ) и электронные »ащитные устройства ОЗУ) - это класс электровакуумных приборов СВЧ, работающих па быстрой циклотронной волне (БЦВ) электронного потока. Основными качествами ЭСУ, обусловившими эффективность их использования в качестве входного каскада • приемных устройств радиолокационных Систем, являются достаточно низкий коэффициент шума (1,5...4 дБ); высокая устойчивость к -СВЧ перегрузкам по входу (типичное значение предельной входной импульсной »Лнцности 10 кВт при средней мощности 300 Вт) У п£и уровне входной мощнойи. в несколько мВт прибор переходит' в режим защиты с обеспечением глубокой развязки между входом и выходом (дЪ 60...90 дБ); сверхмалое время восстановления параметров 10...50 не)., котЬрое в практических случаях заметно не превышает длительности заднего, фройта мощного 'СВЧ импульса. Кроме этого, для ЗСУ характерны широкий динамический диапазон, высокая фазовая, линейность, низкие амплитудные и фазовые шумы, хорошие фильтрующие свойства . (при ширине рабочей полосы частот 5... 10%), низкие энергопотребление (3...5 Вт) й 'масса (2,5...5 кг) . По совокупности параметров ЭСУ по меньшей мере не уступают лучшим образцам зарубежной аппаратуры аналогичного назначения.

В настоящее время разработаны ЭСУ в диапазоне частот-от 1 до 11 ГГц, дальнейшее увеличение рабочих частот ограничивают прежде всего трудности, связанные с получением магнитного поля, требуемого (достаточно высокого) уровня. При этом с увеличением рабочих частот принципиально возрастает коэффициент шума ЭСУ.

Задача создания прибора с рабочей частотой выше 11___12 ГГц может

бьггь значительно упрощена при уменьшении длины прибора, т.е. при сокращении рабочего зазора между полюсами магнитной системы. Если в целях уменьшения длины ЭСУ из него удалить электростатическую усилительную структуру, то прибор в этом случае превращается в ЭЗУ, которое в комбинации с малошумящим транзисторным усилителем (ТРУ;

позволяет реализовать параметры, сходные с параметрами ЭСУ (в диапазон! 8... 10 ГГц) и повысить верхнюю границу рабочих частот до - 40 ГГц. Кроме этого, ЭЗУ по сравнению с ЭСУ позволяют несколько расширит! рабочую полосу частот и снизить массу прибора. Основные цели работы:

1. Решение задачи о взаимодействии различных типов поперечных вол« электронного потока в электрическом и магнитном статических полях различно! структуры в параксиальном приближении в форме, удобной для расчетг шумовых, усилительных и динамических характеристик электростатически) усилительных структур.

2. Теоретическое и экспериментальное исследование, анализ влияния основные физических эффектов, имеющих место в ЭСУ и ЭЗУ, а также особенностей конструкции на шумовые характеристики этих приборов.

3. Определение критериев, при выполнении которых применение ЭЗУ « комбинации с малошумящим транзисторным усилителем становится предпочтительнее применения ЭСКУ (ЭСУ в комбинации с транзисторным усилителем) .

4. Разработка, изготовление и исследование опытных образцов ЭЗУ.

Научная и практическая значимость результатов диссертации:

1. Получены аналитические соотношения, позволяющие глубже понять и, следовательно, более полно учитывать специфику физических процессов, происходящих в приборах, использующих быструю циклотронную волну электронного потока.

2. Разработанные модели и программы позволяют с высокой точностью выполнять расчеты характеристик электростатических структур с учетом эффекта торможения электронного пучка.

3. На основе проведенных расчетов шумовых характеристик электростатических усилительных структур сформулированы критерии предпочтительности использования ЭСУ или ЭЗУ в комбинации с малошумящим транзисторным усилителем.

. Разработаны, изготовлены и исследованы ЭЗУ в диапазонах частот 9 ГГц и 5 ГГц :

ЭЗУ на 9 ГГц позволяет в комбинации с малошумящим транзисторным гилителем получить шумовые характеристики, сходные с характеристиками 'СКУ (ЗСУ с малошумящим транзисторным усилителем) , однако по равнению с ЭСКУ, рабочая полоса частот расширена на 25...30%, а масса нюкена приблизительно на 20%;

разработка ЭЗУ на 35 ГГц свидетельствует об увеличении диапазона рабочих астот данного класса приборов более, чем в 3 раза и создании надежного ащитного устройства для радиолокаторов 8-мм диапазона.

Оба варианта ЭЗУ являются уникальными приборами, не имеющими налогов за рубежом, и могут быть эффективно использованы в различных ипах стационарной и бортовой радиолокационной аппаратуры. Основные положения, выносимые на защиту:

1. Расчет усилительных, шумовых и динамических характеристик >лектростатических усилительных структур с точностью, достаточной для фактического применения, должен производиться с учетом нелинейного )ффекта торможения электронов пучка в процессе усиления сигнала.

2. Для комбинации ЭСУ или ЭЗУ с малошумящим транзисторным усилителем установлено соотношение шумовой температур ы циклотронных волн и коэффициента шума транзисторного усилителя, которое определяет' предпочтительность использования ЭСУ или ЭЗУ {см.Рис.6) .

3. Увеличение на 15-20 дБ развязки между входом и выходом ЭЗУ в режиме защита достигается расположением вдоль оси отверстия н разделительной циафрагме трех - четырех четверть-волновых радиальных линий, закороченных по наружному диаметру.

4. Многократное улучшение массо-габаритных характеристик магнитной системы для ЭЗУ 8-мм диапазона длин воли достигается при таком расположении элементов магнитной системы, когда к каждому из двух

полюсных наконечников прилегают одноименными полюсами по два пластинчатых магнита; это приводит к значительному увеличению - индукции машинного поля в зазоре между полюсными наконечниками. 5. ' Применение комбинации ЭЗУ с современными малошумящими транзисторными усилителями позволяет продвинуть рассматриваемый класс приборов в диапазон длин волн от 3 см до 8 мм и менее, обеспечивая при этом наилучшее сочетание высокого быстродействия и -низкого коэффициента шума при широком динамическом диапазоне.

Публикации и апробация работы. Результаты диссертации отражены в 7 публикациях, список которых приведен в конце автореферата, и 5 научно-технических отчетах. Результаты диссертации докладывались на заседаниях научно-технического совета подразделения ГНПП "Исток", в котором выполнялась работа, на научном семинаре в МГУ, а также на Всероссийской и Международной конференциях. По результатам работы получен 1 патент.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов и списка литературы из 72 наименований. Содержит 134 страницы, в том числе 44 рисунка и 3 таблицы.

II. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении излагаются основные вопросы, решению которых посвящена диссертационная работа, обосновываются актуальность темы, формулируются основные положения, выносимые на защиту, и основные результаты работы. Кратко характеризуется содержание каждой из глав.

В первой главе представлено качественное описание основных физических процессов, характерных для данного класса приборов, а также рассмотрены основные тенденции развития электровакуумных усилителей на быстрой циклотронной волне электронного потока.

Структурная схема ЭСУ показана на Рис.1. Электронная пушка (1) формирует электронный пучок, который дрейфует в продольном магнитном

поле В и последовательно проходит входной резонатор (2), усилительную структуру (3) , выходной резонатор (4) и оседает на коллекторе (5) . Входной резонатор, представляющий собой объемный резонатор с протяженным змкостным зазором (резонатор Куччиа), обеспечивает ввод сигнала в электронный поток (при этом возбуждается сигнальная БЦВ) и удаление из потока БЦВ шума, имевшейся на выходе из электронной пушки. Выведенная яз потока шумовая мощность рассеивается в согласованной входной нагрузке. 1ля эффективной связи резонатора с электронным потоком необходимо триблизителыюе равенство собственной частоты резонатора, частоты сигнала и циклотронной частоты, определяемой уровнем продольного магнитного поля.

'ис.1. Структурная схема ЭСУ.

В электростатической усилительной структуре при взаимодействии БЦВ с 1ространственно-периодическим электрическим полем определенного профиля гроисходит увеличение амплитуды БЦВ, при этом уменьшается энергия 1родольного движения электронов. Кроме этого, процесс усиления БЦВ опровождается возникновением связи с медленной циклотронной волной !МЦВ) , несущей шумовую энергию. Используемая в ЭСУ плоскосимметричная силительная структура (Рис.2) весьма технологична и удобна при [спользовании с ленточным электронным лучом. Потенциал ис обеспечивает :инхронизм циклотронного вращения электрона с периодическим полем

"накачки" и„ (один циклотронный оборот на двух периодах структуры Л„) .

В выходном резонаторе, который по конструкции подобен входному, усиленный сигнал выводится из пучка.

В связи с тем, что в усилительной' структуре возникает связь межд быстрой и медленной циклотронными волнами, которая обуславливает передач; шумовой мощности в сигнальную волну, в ЭСУ для снижения коэффициент: шума используют механизм уменьшения поперечной шумовой энергии обей: циклотронных волн в спадающем магнитном поле. Для этого соосно с катодо» и, вблизи него размещают ферромагнитный наконечник с тем, чтобы като; находился в максимально возможном магнитном поле. Далее, на пространств« до входного резонатора, магнитное поле адиабатически уменьшается до уровня, при котором циклотронная частота совпадает с частотой сигнала.

Рис.2. Плоскосимметричная усилительная структура.

В настоящее время разработаны ЭСУ в диапазоне частот от 1 ГГ1 (коэффициент шума 1,5 дБ) до 11 ГГц (коэффициент шума 4 дБ) . Пр1

(альнейшем увеличении рабочих частот неизбежно будет возрастать :оэффициент шума ЭСУ, что обусловлено меньшей степенью "охлаждения" щклотрттых волн в спадающем малшттюм поле (максимальное поле в власти катода ограничено магнитной индукцией насыщения ферромагнитного мтериала наконечника) .

Основным качеством, которое выделяет ЭСУ и ЭЗУ среди других классов !!ВЧ приборов, является их высокая устойчивость к СВЧ перегрузкам по ходу. Прибор переходит при этом в режим защиты, обеспечивая глубокую >азвязку входа и выхода. Принцип реализации защитных функций заключается следующем. При превышении входной мощностью определенного уровня порядка единиц мВт), электронный поток под ее действием полностью седает на корпусе входного резонатора. При этом до 90% поступающей на ход прибора СВЧ мощности отражается от рассогласованного резонатора, не »груженного электронным потоком. Оставшаяся мощность рассеивается во ходном резонаторе, попадая на выход прибора лишь посредством излучения ерез щель для электронного луча, которая имеет запредельные размеры по тношению к длине волны электромагнитных колебаний. Сверхмалое время осстановления параметров после воздействия мощного СВЧ импульса бусловлено высокой подвижностью заряженных частиц (электронов в вакууме) определяется в основном временем затухания колебаний в низкодобротном езонаторе.

Вторая глава посвящена решению уравнения движения электронного луча в гатических электрических и магнитных полях аксиально-симметричной, вадрупольной и плоскосимметричной структур. При этом интенсивность полей [щабатически изменяется с циклотронным углом пролета. Поскольку в ¡щабатических полях амплитуды поперечных волн изменяются достаточно едденно, для решения уравнений использован метод усреднения по ыстроосциллирующей фазе поляризованных по кругу поперечных волн. При том электрическое и магнитное поля представляются соответствующими какои-ибо одной (нулевой, первой или второй) пространственной Фурье-гармонике

по циклотронному углу пролета.

В работе получены аналитические выражения, описывающие поведение всех четырех типов поперечных волн нитевидного электронного потока в указанных выше типах полей. Выражения имеют форму, удобную дай аналитических оценок и численных решений. На их основе может бьгп проанализировано усиление волн и их связь между собой, отражающая шумовые параметры процесса усиления.

Используемая в данном случае модель нитевидного электронного потока не накладывает существенных ограничений на применимость полученныл результатов к реальному электронному пучку. Данное утверждение справедливо по той причине, что возбуждение поперечной волны представляет собой возникновение колебаний центра инерции пучка, поведение которого, кал известно, соответствует поведению нитевидного потока.

При решении уравнений движения для случая коротких электрических I магнитных линз получены соотношения, которые позволяют оценить шумово» вклад линзы и определить профиль поля, при котором такой вклад буде! минимальным.

Учитывая, что в магнитных системах для более высокочастотных образцо! магнитное поле может иметь значительную плоскосимметричную компоненту, I диссертации получены выражения для мощности поперечных волн электронногс потока, распространяющихся в неоднородном магнитном поле плоскосимметричной структуры. Показано, что в данном случае возникав: пассивная связь между медленной и быстрой циклотронными волнаш (периодическая по углу пролета передача энергии из одной волны в другую I обратно) .

Увеличение энергии БЦВ электронного потока при взаимодействии ее < пространственно-периодическим статическим полем происходит за сче-уменьшения энергии продольного движения электронов. Следовательно, пс мере усиления БЦВ и уменьшения продольной скорости пучка нарушаете; равенство между расстоянием, которое электрон пролетает за половшг

циклотронного периода и пространственным периодом поля. Подобный рассшгхронизм снижает эффективность усиления БЦБ (вплоть до его ограничения) и приводит к нелинейной зависимости коэффициента усиления от входной мощности.

Задача расчета усиления БЦВ и передачи шумовой мощности из МЦВ с учетом торможения пучка решена, путем численного интегрирования дифференциальных уравнений для случая полей, имеющих место в ЭСУ.

Ri+ Ri+ш

На Рис.3 показано увеличение амплитуды сигнальной БЦВ Иц / йц, (кривая 1, Ию+ - амплитуда БЦВ на входе в усилителыгую структуру) и увеличение амплитуды БЦВ в той ее части, которая обусловлена передачей шумовой энергии из МЦВ, - Яц.ш / Я10ш (кривая 2, йюш - шумовая амплитуда МЦВ на входе в усилительную структуру) . Отклонение кривых от законов гиперболического косинуса и синуса обусловлено торможением электронов и крушением описанного синхронизма. На основе расчетов усиления сигнала при эазных уровнях входной мощности получены амплитудные характеристики усилительных структур, которые хорошо согласуются с экспериментальными энными.

Следует отметать, что предложенный подход применим для расчетг соответствующих характеристик электростатических усилительных структур I других типов: квадрупольных и аксиальносимметричных.

В третьей главе рассматривается влияние сил пространственного заряд; электронного пучка на параметры ЭСУ и ЭЗУ. Получены аналитическш выражения, описывающие преобразование циклотронных волн в парциальны: периферийных пучках. На их основе показано, что силы пространственной заряда не участвуют в рассматриваемых типах взаимодействий циклотронньп волн электронного потока в целом, однако могут приводить к значительный деформациям поперечного сечения пучка.

Приведены оценки влияния разброса продольных и поперечных скороста электронов, возникающего на катоде, а также разброса продольных скоростей, связашгого с уменьшением эффективного потенциала дрейфа внутри пучка, н; затухание сигнала и шумовые характеристики. Полученные оценки влияню разброса продольных скоростей говорят о том, что данный эффект н< оказывает заметного влияния на параметры приборов.

Влияние разброса поперечных скоростей электронов более значительно дл: ЭСУ, однако, учитывая воздействие данного механизма при реальных режима: работы приборов, которые выбираются исходя из других, более значимы: факторов, влиянием разброса поперечных скоростей также можно пренебречь.

Четвертая глава содержит сравнительный анализ шумовых параметров ЭСЗ и ЭЗУ, который выполнен с учетом коэффициента шума малошумящеп транзистороного усилителя (ТРУ) , подключаемого на выходе рассматриваемы: приборов. К основным источникам шума в ЭСУ и ЭЗУ относятся следующие:

1) . ослабление сигнала вследствие омических потерь и рассогласования в( входном и выходном трактах прибора, включающих в себя линию связи, вакуумное окно и резонатор. Для ЭСУ потерями в выходном тракте обычн( можно пренебречь;

2) . остаточный шум БЦВ при рассогласовании электронной нагрузки входной резонатора с нагрузкой входного тракта, при этом происходит неполно'

удаление БЦВ шума из электронного потока;

3) . передача шума из МЦВ в БЦВ в усилительной структуре ЭСУ.

К.п.д. входного и выходного тракта, определяемый в основном потерями в резонаторе, составляет приблизительно 95%, что соответствует эквивалентной шумовой температуре 15°К (при идеальном согласовании с внешней нагрузкой) . На краях рабочей полосы частот при рассогласовании, соответствующем КСВН = 2.0, шумовая температура составляет приблизительно 55°К.

Остаточный шум БЦВ зависит от температуры катода и степени "охлаждения" циклотронных волн в спадающем магнитном поле. При температуре катода 1000°К и уровне магнитного поля в области катода, соответствующем циклотронной частоте 55 ГГц (значения, характерные для существующих ЭСУ), рассогласование, соответствующее КСВН = 2.0, обуславливает температуру остаточных шумов БЦВ от 4 "К (рабочая частота 2 ГГц) до 110°К (для приборов, в которых не используется "охлаждение" БЦВ в спадающем магнитном поле) .

Расчеты передачи шумовой мощности из МЦВ в плоскосимметричной усилительной структуре ЭСУ выполнялись с учетом механизма торможения пучка для уровня мощности входного сигнала 10 мкВт, что соответствует границе динамического диапазона ЭСУ. Полученные значения шумовой температуры, обусловленной данным механизмом, составляют величины от 34°К (рабочая частота 2 ГГц) до 943°К (для приборов без "охлаждения" МЦВ в спадающем магнитном поле) ; ' при этом коэффициент электронного усиления составляет 12,5 дБ.

Эквивалентная шумовая схема ЭСУ (ЭЗУ), учитывающая описанные механизмы, может бьггь представлена следующим образом:

(Тш - эквивалентная шумовая температура, К„ - коэффициент передачи) . Соответственно суммарная шумовая температура всего устройства может быть определена по формуле:

ТШЕ = ТШ4 . (1)

Кт Кт Кп2 Кт Кп2 Кпэ

Результаты расчетов эквивалентной шумовой температуры ЭСУ и ЭЗУ в

зависимости от рабочей частоты представлены на Рис.4 (значения Тш при ^ =

55 ГГц соответствуют случаю, когда пучок не "охлаждается" в расходящемся

магнитном поле) .

Затухание в приборе без учета электронного усиленна :

- 0.5 дБ ,

КСВН=1,3

- ----1,5 дБ ,

КСВН=2

I I I I ' 1 I I I I I 0 10 20 30 40 50

МТц

Рис.4. Зависимость шумовой температуры ЭСУ и ЭЗУ от рабочей частоты.

Использование на выходе ЭСУ или ЭЗУ транзисторного усилителя с коэффициентом усиления 15...20 дБ делает малозначительным шумовой вклад последующих каскадов, однако коэффициент шума самого ТРУ достаточно важен при использовании ЭСУ и принципиально важен при использовании ЭЗУ. На Рис.5 приведены расчетные зависимости шумовой температуры ЭСКУ

Тш, °К

п асу ( Куэ=12.5 дБ )

комбинация "ЭСУ+ТРУ") и устройства типа "ЭЗУ + ТРУ" от коэффициента пума ТРУ при оптимальном согласовании между ЭСУ (ЭЗУ) и ТРУ. 1унктиром на рисунках обозначены зависимости для комбинации "ЭЗУ+ТРУ" ¡ри коэффициенте затухания ЭЗУ 1,5 дБ (кривые "1") и 0,5 дБ (кривые 2") . Сплошными линиями показаны характеристики для ЭСКУ в частотных очках с КСВН = 2 (затухание без учета электронного усиления 1,5 дБ): ривые "3" - коэффициент электронного усиления ЭСУ 1,5 дБ; кривые "4" Ку, = 2,6 дБ; кривые "5" - Куз = 12,5 дБ.

Гш , К

2 | I | I I I I I I I | I 1 I | 0 2 4 6 8

Кщ ТРУ • ДЕ 1). рабочая частота Г= 2 ГГц.

Гш .'к

/г

1 1 1 I 1 1 1 I 1 1 1 I 1 1 1 I 0 2 4 6 8

тру • ДБ

1). рабочая частота Г=15 ГГц.

Тш , К

° | Г| I | I I I | I I I I 1 I I |

0 2 4 6 8

тру > дБ

б). рабочая частота 1= 9 ГГц.

о

Тш . К

о о -

I I | 1 I I | I 1 I | 1 I I |

0 2 4 6 8

Кщ тру . дВ г), рабочая частота Г=55 ГГц.

/

У

ис.5 Шумовая температура ЭСКУ и "ЭЗУ+ТРУ".

Представленные зависимости показывают, что для длинноволновой области см-диапазона (~ 2 ГГц) использование ЭСУ несомненно предпочтительнее, однако, уже для частот ~ 9. . . 10 ГГц при достаточно жестких требованиях к ЭЗУ (затухание не более 1 дБ) и ТРУ (коэффициент шума не хуже 1,8 дБ) для комбинации "ЭЗУ+ТРУ" могут быть получены шумовые характеристики, подобные ЭСКУ. Для более высоких частот в некоторых случаях могут быть полезны предельно короткие усилительные структуры (1... 2 циклотронных оборота при электронном усилении 1...3 дБ) (кривые 3, 4), которые не приводят к удлинению всего прибора и, следовательно, к сложностям с получением магнитного поля требуемого уровня.

Кривые для всех вариантов приборов (Рис.5) с одинаковыми собственными потерями (без учета электронного усиления) пересекаются в одной характерной точке, которая определяется уровнем шумов электронного потока. Если коэффициент шума ТРУ лежит ниже этой точки, то с увеличением электронного усиления шумовые характеристики всего комбинированного устройства ухудшаются и, таким образом, усиление сигнала в ЭСУ становится не рациональным. В случае, если коэффициент шума ТРУ выше данного характерного значения, то с увеличением электронного усиления шумовая температура всего устройства уменьшается. При этом небольшое электронное усиление эквивалентно, с точки зрения шумовой температуры, уменьшению собственных потерь ЭЗУ.

На Рис.6 приведены две кривые для разного уровня собственных потерь в ЭСУ или ЭЗУ, которые демонстрируют зависимость описанного выше характерного значения коэффициента шума ТРУ в комбинированном приборе ("ЭСУ+ТРУ" или "ЭЗУ+ТРУ") от уровня шумов электронного потока (диапазона частот) ЭСУ или ЭЗУ. В комбинированном устройстве, характеристики которого соответствуют точкам, лежащим выше и левее кривой, целесообразно использовать ЭСУ. Если же характеристики комбинированного устройства соответствуют точкам, лежащим ниже и правее кривой, то в этом случае использование ЭЗУ вместо ЭСУ позволит получить!

меньший суммарный коэффициент шума.

В пятой главе излагаются наиболее существенные вопросы конструирования защитных устройств. Показано, что по конструкции ЭЗУ на 9 ГГц в значительной степеии подобно электростатическим усилителям. Увеличение рабочей частоты (ЭЗУ на 35 ГГц) обуславливает многочисленные и существенные отличия в конструкции магнитной системы, электронной пушки, вводов энергии и резонаторов.

Так для ЭЗУ на 35 ГГц была разработана магнитная фокусирующая система оригинальной конструкции [7] (см. Рис.7, цифрами обозначены: 1 -магнитопроводы, 2 - постоянные магниты, 3 - полюсные наконечники), масса которой составила 1 кг, что в несколько раз меньше, чем имела бы магнитная система традиционной для ЭСУ конструкции. Так же оригинальную конструкцию имеет сверхминиатюрная электронная пушка (ее максимальный размер вдоль оси прибора составляет 1 мм) .

Тш эл.потока, °К

Рис.6. Кривые для выбора ЭСУ или ЭЗУ в комбинированном устройстве.

г з

/ул

±1Д

Рис.7. МФО для ЭЗУ на 35 ГГц.

Разделительная диафрагма в ЭЗУ (между входным и выходным резонаторами) представляет собой прямоугольную щель для прохождения электронного луча. В режиме защиты, когда электронный луч полностью разрушен, данная щель, представляющая собой запредельный волновод, обеспечивает развязку между входом и выходом прибора. Для увеличения затухания входной мощности в ЭЗУ вдоль оси щели располагают несколько четверть-волновых радиальных линий, закороченных по наружному диаметру. Это позволяет увеличить "холодное"' затухание в ЭЗУ на 15...20 дБ.

В диссертации представлен анализ согласования проводимостей внешней нагрузки, резонатора и электронного потока и на этой основе сформулированы рекомендации по обеспечению максимальной полосы рабочих частот ЭЗУ. Сделаны теоретические оценки предельной полосы пропускания, обеспечиваемой резонатором Куччиа для разных диапазонов частот. На Рис.8 представлена данная зависимость по уровню коэффициента передачи одного резонатора -0,5 дБ при микропервеансе электронного'пучка 5...8 мкА/Вэ/2, при этом ширина ламели соответствует ширине электронного луча, величина емкостного зазора в два раза превышает толщину электронного луча с учетом его

расширения в расходящемся магнитном поле (разброс точек объясняется конструктивными корректировками

эмпирического характера) . Уменьшение относительной рабочей полосы частот с ростом центральной частоты диапазона £а связано с тем, что не удается пропорционально уменьшать емкостной зазор резонатора. Если при этом уменьшать длину ламели резонатора, не допуская увеличения угла пролета, то будет уменьшаться электронная нагрузка; если же сохранять электронную нагрузку за счет более длинной ламели, то, соответственно, возрастет угол пролета резонатора электроном. В том и другом случае будет иметь место уменьшение относительной полосы частот. Максимальная полоса частот реализуется при оптимальном соотношении данных условий.

В шестой главе представлены основные экспериментальные характеристики опытных образцов. На Рис.9. и Рис.10 показаны коэффициент передачи, КСВН вводов энергии и шумовая температура двух образцов ЭЗУ, работающих в диапазонах частот 9 ГГц и 35 ГГц.

Пунктирной линией на рисунках показана избыточная шумовая температура ЭЗУ, представляющая собой результат вычитания из полной шумовой температуры той ее часта, которая соответствует коэффициенту ослабления сигнала в ЭЗУ. Избыточная шумовая температура обусловлена присутствием в ЭЗУ шумящего электронного потока.

Для ЭЗУ на 9 ГГц представленные экспериментальные характеристики хорошо согласуются с расчетными данными. Используя в качестве второго каскада ТРУ с коэффициентом шума 2 дБ, при оптимальном согласовании между ЭЗУ и ТРУ получим суммарный коэффициент шума 4 дБ в полосе

А fmax/fo • *

Рис.8. Зависимость предельной полосы частот от диапазона

частот.

частот до 6%. В полосе частот 4% может был. получен суммарны! коэффициент шума не более 3 дБ, что соответствует характеристикам, получаемым с использованием ЭСУ.

К„ . ДВ

О—1

-1-Г"

-4 -2

I I I I 0 2 4

('-ОЛ. «

а) . Коэффициент передачи. КСВН

-Г"

-4 -2

I ' 0

б) . КСВН ввода энергии.

Кп , дБ

О-!

-1-1 I I I I

1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5

а-ол»

а) . Коэффициент передачи. КСВН

I I I I I I

1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5

*

б) . КСВН ввода энергии.

Т,

о

О §-

полная избыточная

И

-4-2 0 2

а-ул» Я

в). Шумовая температура. Рис.9. ЭЗУ в диапазоне частот Рис.10. ЭЗУ в диапазоне часто 9 ГГц. 35 ГГц.

—I-1-1-1-1-1

1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5

О-ОЛ. *

в) . Шуыоваа температура.

В ЭЗУ на 35 ГГц (Рис.10) экспериментально полученная шумовая гемпература превышает расчетные значения на 80...150°К. Это, очевидно, )бъясняется ухудшением электронной оптики прибора при более чем [рехкратном уменьшении длины волны по сравнению с ЭЗУ 3-см диапазона, в га время, как точность изготовления деталей и сборки узлов двух типов триборов одинакова.

Опытные образцы ЭЗУ имеют следующие основные характеристики:

Наименование параметра ЭЗУ Диапазон частот

9 ГГц 35 ГГц

Максимальная полоса рабочих частот, % 6 2,2

Минимальный коэффициент затухания, дБ 0,5-0,7 0,7

Максимальный коэффициент затухания,дБ 1,5 1,5

Максимальная избыточная шумовая температу-

ра, °К 100 180-230

Верхняя граница линейности амплитудной

характеристики, мВт 3 10

"Холодное" затухание, дБ 70 52

Максимально допустимая мощность на

входе: - импульсная, Вт 10000 100 *

- средняя, Вт 500 20 *

Время восстановления параметров, не 10-30 ~ 10

Масса, кг 2,1-2,2 1,3-1,4

Мощность, при которой проводились испытания. Предельная мощность не шределялась.

Ниже представлены характеристики семейства электростатических силителей и ЭЗУ, как двух видов одного класса СВЧ-приборов. Данные ;арактеристики построены на основе типичных параметров ЭСУ, разработанных I последние годы, и представляют собой зависимости от диапазона частот Г0.

Рабочая полоса частот (Рис.11) определена для ЭСУ и ЭСКУ по уровню [еравномерности коэффициента усиления 2...2,5 дБ, для ЭЗУ - по уровню :оэффициента передачи -1,5 дБ. На Рис.12 представлены данные по гаксимальному коэффициенту шума в рабочей полосе частот. Для комбинации

"ЭЗУ+ТРУ" также указаны минимальные значения коэффициента шума на частотах с минимальными потерями и наилучшим согласованием по входу и выходу.

Более высокий коэффициент шума комбинации "ЭЗУ+ТРУ" по сравнению с ЭСКУ в диапазоне 9 ГГц связан с более широкой рабочей полосой частот ЭЗУ. Кроме этого, недостаточный опыт изготовления ЭЗУ, затрудняет на сегодняшний день получение образцов с параметрами, близкими к предельным.

Кщ, дБ

Рис.11. Рабочая полоса частот.

т, кг

эсу, эску

эску с коаксиалом на входе

эзу

Рис.13.

ЭЗУ.

-Г^-1-1—1—I I I I I-1-1-1

ю

<а . ГГц

Масса ЭСУ (ЭСКУ) и

1 - Кщ,пг ^ — Лщ ТРЖ 3 — Кш тру

= 2 дВ

- 3 дБ Г

- 7 дБ (

9 ГГц > ■ 15 ГГц) /з 35 ГГц) , / /

эзу+тру / / шкс./

/

/ щв.

эсу, эску

ИАКСШШТЬИЫЙ Кш

-т—I—I—I I I I I— 10

. ГГЦ

Т-1-1

и . ГГц

Рис.12. Максимальный и минимальный коэффициенты шума в рабочей полосе частот.

На Рис.13 представлены данные по массе ЭСУ (ЭСКУ) и ЭЗУ.

Сравнивая характеристики ЭЗУ и ЭСУ в диапазоне частот 9 ГГц, можно сделать вывод, что применение ЭЗУ в комбинации с ТРУ позволяет приблизительно в 1,5 раза увеличить рабочую полосу частот, при этом максимальный коэффициент шума будет приблизительно на 1 дБ превышать максимальный коэффициент шума в

В»—1

Рч-

И> —

П—

случае применения ЭСУ (при коэффициенте шума транзисторного усилителя 2 . При равных уровнях суммарного коэффициента шума устройств типа ЭСКУ и "ЭЗУ+ТРУ" использование ЭЗУ позволяет расширить рабочую полосу истот приемного устройства по сравнению со случаем использования ЭСУ на 25... 30% и снизить массу приблизительно на 20%.

' Разработка ЭЗУ в диапазоне частот 35 ГГц, в то время, как максимальные достигнутые частоты для ЭСУ составляют 10... 11 ГГц, позволяет надеяться, что такой путь является весьма перспективным в плане повышения рабочих частот данного класса приборов.

Опытные образцы ЭЗУ, аналогичные описанным выше, поставлялись на предприятия радиотехнической промышленности для использования в научно-технических разработках. В настоящее время с использованием результатов, полученных в ходе диссертационной работы, завершена разработка ЭЗУ в диапазоне частот 15 ГГц [8] , предназначенного для использования в приемном устройстве PJIC, разрабатываемом ГНПП "Исток" по контракту с зарубежной фирмой.

III. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1) . В адиабатических полях получены дифференциальные уравнения характеризующие достаточно широкий спектр взаимодействий и преобразований поперечных волн электронного потока.

2) . Получены аналитические выражения, описывающие преобразование поперечных волн электронного потока в адиабатических полях аксиально-симметричной , плоскосимметричной и квадрупольной структур в случае резонанса на нулевой, первой или второй пространственной Фурье-гармонике по циклотронному углу пролета. На основании данных выражений удобно как качественно оценить, так и количественно рассчитать степень преобразования волн в процессе их взаимодействия с полями указанных структур (усиление сигнальной волны, передача шумовой мощности из других волн в сигнальную) .

3) . Рассмотрено преобразование волн в коротких электрических и

магнитных линзах, получены соответствующие аналитические выражения, которые позволяют рассчитать степень связи между волнами для конкретны) видов линз. Приведены рекомендации по уменьшению негативного влиянш линз.

4) . Неоднородное статическое плоскосимметричное магнитное поле може" приводить к дополнительной пассивной связи между быстрой и медленное циклотронными волнами. Причем в зависимости от угла пролета в области ( неоднородным магнитным полем, данный эффект вызывает либо уменьшение сигнала, вводимого в быструю циклотронную волну, либо передачу част? шумовой мощности из медленной циклотронной волны в быструю.

5) . Численным методом решены дифференциальные уравнения, описывающие преобразование циклотронных волн в плоскосимметрично? усилительной структуре ЭСУ, при этом учтено торможение пучка в процессе его взаимодействия с полем структуры. Приведен расчет усилительных, шумовых и динамических характеристик усилительной структуры.

6) . На основании решения уравнений движения с учетом пол» пространственного заряда пучка получены выражения, описывающие возбуждение и преобразование циклотронных волн в парциальных периферийны} электронных пучках. Показано, что поле пространственного заряда може! приводить к значительным деформациям поперечного сечения пучка.

7) . Разброс продольных скоростей электронов, возникающий на катоде, не оказывает существенного влияния на параметры приборов рассматриваемое типа. Влияние разброса поперечных скоростей электронов более значителык для ЭСУ и накладывает определенные ограничения на уровень электронно! < усиления.

8) . Основными источниками шумов в ЭСУ и ЭЗУ являются: ослабление сигнала но входном тракте, остаточный шум БЦВ при рассогласована электронного потока с входным трактом, передача шума из МЦ1! в БЦВ I усилительной структуре (ЭСУ), ослабление сигнала в выходном тракте (ЭЗУ) . Па основе данных эффектов предложена эквивалентная схема для вычислени]

суммарной шумовой температуры и сделаны соответствующие расчеты для различных рабочих частот.

9) . При увеличении коэффициента электронного усиления ЭСУ шумовая температура, обусловленная связью быстрой и медленной циклотронных волн, стремится к шумовой температуре МЦВ на выходе из электронной пушки. В го же время уменьшается шум, обусловленный потерями в выходном тракте. Гаким образом, если шумовая температура МЦВ .меньше шумовой температуры, обусловленной потерями в выходном тракте, то шумы ЭСУ снижаются с увеличением коэффициента электронного усиления. И, с другой стороны, чем значительнее шумовая температура МЦВ превышает шумовую температуру, связанную с потерями в выходном тракте, тем более интенсивно суммарная шумовая температура нарастает с увеличением коэффициента электронного /силения.

10) . Для комбинированных устройств (ЭСУ или ЭЗУ с транзисторным усилителем) приведены кривые, характеризующие влияние коэффициента шума транзисторного усилителя на шумовые свойства всего устройства. Аналогичные ирактеристики получены и для ЭЗУ с малым электронным усилением. На их зснове можно определить критерии предпочтительности использования той или иной комбинации устройств, исходя из их характеристик.

11) . Разработаны и изготовлены опытные образцы ЭЗУ в диапазонах тастот 9 ГГц и 35 ГГц, при этом найдено и реализовано несколько )ригинальных конструктивных решений. Предложены рекомендации по расчету зезонансных элементов связи с максимальной полосой рабочих частот.

12). В диапазоне частот 9... 10 ГГц ЭСКУ и ЭЗУ с малошумящим гранзисторным усилителем могут иметь, приблизительно, одинаковые шумовые ираметры, для более низких частот применение ЭСУ предпочтительнее по :равнению с ЭЗУ. На более высоких частотах, в зависимости от коэффициента шума последующего каскада усиления, применение ЭЗУ может !ыть предпочтительнее с точки зрения минимизации коэффициента шума. Тем юлее, что разработка ЭСУ в диапазоне частот выше 11... 12 ГГц представля-

ется достаточно проблематичной.

IV. ЛИТЕРАТУРА

1. Будзинский Ю. А., Быковский C.B. Электростатические усилители ■ основные параметры и особенности применения. Тезисы докл. конф "Актуальные проблемы электронного приборостроения", Саратов, октябр 1994, с.19.

2. Быковский C.B., Ванке В. А. Поперечные волны электронного потока плоскосимметричных полях. Радиотехника и электроника, 1993, т.38, №8, с.1475.

3. Быковский C.B., Ванке В. А. Поперечные волны электронного потока квадруполыюм электрическом поле. Радиотехника и электроника, 1995, т.40, №8, .с.1277.

4. Ванке В. А., Быковский C.B. Преобразование поперечных вол! электронного потока в параксиальных полях различной структуры. Тезис! докл. конф. "Актуальные проблемы электронного приборостроения", Саратов октябрь 1994, с. 20.

5. Vanke V.A., Sawin V.L., Boudzinski I.A., Bykovsky S.V Development of cyclotron-wave converter. 2nd wireless powe: transmission conference, Kobe, Japan, oct. 16-19, 1995.

6. Быковский C.B., Ванке В. A. О кинетической мощности поперечных вол: электронного потока. Радиотехника и электроника, 1992, т.37, №10 с. 1854.

7. Будзинский Ю. А., Быковский C.B., Мурсков A.A. Магнитная систем электровакуумного прибора СВЧ. Патент 2024098 (РФ), заявл. 08.01.91 опубл. БИ №22, 1994.

8. Будзинский Ю.А., Квылинский Ю.Ф., Матафонов Р.П., Быковский C.B. Научно-технический отчет "Разработка эскизного проекта трехканальног приемного устройства РЛС в 2-см диапазоне длин волн", №16-9119, ГНШ "Исток", 1996.