4.5 Особенности устройства и применения ЛБВ
Лампы бегущей волны в зависимости от уровня выходной мощности в режиме насыщения, как и другие электровакуумные приборы, подразделяются на следующие классы: маломощные (доли милливатта — 1 Вт), средней мощности (1—100 Вт), большой мощности (более 100 Вт) и сверхмощные (более 100 кBт). По режиму работы ЛБВ бывают импульсного и непрерывного действия. Для фокусировки электронного потока в первых разработанных ЛБВ применяли соленоиды, которые обычно громоздки и имеют большую массу. Существенно уменьшить габариты и массу ЛБВ удалось путем применения периодической фокусировки электронных потоков с использованием как электростатических, так и магнитных линз. Лампы с периодической магнитной фокусировкой называются пакетированными. В настоящее время для периодической магнитной фокусировки в ЛБВ (так же, как и для многорезонаторных клистронов) применяются магниты из самарий-кобальтового сплава, обладающего высокой коэрцитивной силой, которые имеют малые размеры.
В широкополосных ЛБВ малой и средней мощностей применяются спиральные замедляющие системы, характеризующиеся широкой полосой пропускания. Трудности теплоотвода от спирали сдерживают применение этой замедляющей системы для более мощных приборов. В настоящее время в ЛБВ со спиральной замедляющей системой достигнут уровень выходной мощности в непрерывном режиме примерно 1 кВт в диапазоне 5—10 ГГц. Однако работы по улучшению теплоотвода продолжаются, и в будущем возможно увеличение уровня выходной мощности.
В мощных ЛБВ в качестве замедляющих систем применяются цепочки связанных резонаторов (см. 6, 7 рис. 4.3). Полоса пропускания в таких ЛБВ меньше, но уровень мощности в непрерывном режиме достигает 15 кВт на частоте 10 ГГц.
Маломощные ЛБВ применяются для усиления входных сигналов в различных приемниках СВЧ, в частности во входных усилителях ретрансляционных станций радиорелейных линий связи. Как правило, такие ЛБВ являются малошумящими.
Средней мощности ЛБВ используются в качестве промежуточных усилителей, а также в качестве выходных усилителей мощности в маломощных передатчиках. На рис. 4.7приведены ЛБВ средней мощности: 1 — УВ-7 вместе с фокусирующей системой в виде соленоида; 2 — УВ-229 без соленоида, 3 — ЛБВ с периодической фокусирующей системой из постоянных магнитов.
Для ЛБВ средней мощности, используемых в системах связи, проводятся исследования по увеличению КПД и уменьшению нелинейных искажений. Эти две проблемы противоречивы. В радиорелейных линиях связи проблема повышения КПД не столь остра, как для ЛБВ, используемых в космосе, где для повышения КПД приходится мириться с увеличением нелинейных искажений. Коэффициент преобразования АМ/ФМ в космических ЛБВ обычно 4,5 — 6 град/дБ, в то время как для радиорелейных систем 1,5 — 4 град/дБ.
Приведем параметры ЛБВ средней мощности для систем космической связи ТН3525 (Франция), в которой успешно решены обе проблемы. Полоса пропускания этой ЛБВ 0,75 ГГц, а выходная мощность 20 Вт. Неравномерность частотной характеристики в полосе частот 125 МГц составляет ±0,2 дБ. Комбинационные составляющие третьего порядка при одинаковых уровнях двух несущих в режиме насыщения 11 дБ, коэффициент преобразования АМ/ФМ в односигнальном режиме не более 6 град/дБ, а в двухсигнальном — менее 4,5 град/дБ. Фазовый сдвиг при переходе от линейного режима к режиму насыщения 36°, а изменение времени задержки 0,5 нс. Общий уровень гармоник в режиме насыщения 15 дБ. В ЛБВ ТН3525 применена трехсекционная замедляющая система: первые две секции с постоянными, но различными для каждой секции шагом спирали, третья — с постоянно уменьшающимся шагом. Для повышения КПД применено понижение напряжения коллектора (рекуперация энергии). Общий КПД 40%.
Крупным техническим достижением в области космической связи стало так же создание ЛБВ средней мощности TL 12024 (ФРГ) с рекордным комплексом параметров: КПД 46% при выходной мощности 20 Вт, коэффициент преобразования 2,5 град/дБ, масса 0,65 кг, долговечность 500 тыс. ч.
Мощные и сверхмощные ЛБВ применяются в передатчиках радиолокационных станций различного назначения, в наземных станциях систем космической связи и т. д. Для мощных ЛБВ основное внимание уделяют получению максимально возможного КПД и выходной мощности.
Существующие ЛБВ перекрывают диапазон 0,5—100 ГГц. В последние годы (1978—1980 гг.) разработано много ЛБВ для систем космической связи на частотах выше 10 ГГц. Это ЛБВ средней мощности для спутников и мощные ЛБВ для наземных систем. В то же время промышленность почти прекратила выпуск малошумящих ЛБВ на частотах до 8 ГГц в связи с большими успехами в разработке малошумящих транзисторных усилителей и сократила производство некоторых мощных ЛБВ непрерывного действия в дециметровом диапазоне. Проводятся перспективные разработки ЛБВ для спутников в диапазонах частот 40 и 80 ГГц. Продолжаются работы по уменьшению габаритов и массы ЛБВ средней мощности. Созданы ЛБВ непрерывного действия с полосой частот в две октавы при выходной мощности 1 Вт и импульсные ЛБВ с полосой частот более октавы при выходной мощности 1 кВт и около октавы при 15 кВт.
Развитие систем радиопротиводействия вызвало необходимость разработок двухрежимных ЛБВ, которые в зависимости от режима питающих напряжений могут обеспечить попеременно импульсный или непрерывный режим работы. Применение таких ЛБВ приводит к существенному уменьшению массы и габаритов бортовой аппаратуры. Эти ЛБВ сложнее однорежимных, поэтому трудно получить хорошие КПД и высокое отношение импульсной мощности к непрерывной, которое составляет примерно 2,5 в диапазоне 6 — 15 ГГц и достигает 4 — 6 на частотах ниже 6 ГГц.
Одним из перспективных направлений развития ЛБВ является разработка ламп, замедляющая система которых и некоторые другие элементы выполняются путем напыления металлов на керамические платы. В будущем предполагается полный переход от объемных на планарные печатные элементы, которые изготавливаются технологическим процессом, аналогичным принятым в микроэлектронике для интегральных схем. Пленочная технология -обеспечивает высокую точность изготовления мелкоструктурных замедляющих систем с жесткими допусками, а также сложных замедляющих систем, которые трудно выполнить обычными методами.
Миниатюрные ЛБВ на печатных элементах характеризуются малыми размерами, низкой стоимостью и хорошей повторяемостью параметров от лампы к лампе. Это делает их перспективными для применения в фазированных антенных решетках, где вопросы стоимости и идентичности параметров ламп выступают на первое место. Параметры зарубежных приборов лежат в пределах: диапазон частот 3 — 6 ГГц, выходная мощность в непрерывном режиме 20 — 200 Вт, в импульсном — 200—2000 Вт, усиление 13 — 20 дБ, КПД 20 — 30%. Разрабатываются ЛБВ как для непрерывного, так и для импульсного режимов работы.
назад | оглавление | вперёд