Двухдиапазонная лампа бегущей волны

Двухдиапазонная лампа бегущей волны
В.М. БЕЛУГИН, Н.Е. РОЗАНОВ
ФГУП «Московский радиотехнический институт Российской академии наук»
ДВУХДИАПАЗОННАЯ ЛАМПА БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ
Приведены результаты разработки, изготовления и испытаний двухдиапазонной лампы бегущей волны (ЛБВ),
усиливающей СВЧ-сигналы одновременно в двух достаточно сильно разнесенных частотных диапазонах.
Для некоторых прикладных задач может потребоваться существенное расширение рабочей
полосы частот в относительно компактной лампе бегущей волны, даже при допустимом небольшом снижении выходной мощности. Эту задачу позволят решить многодиапазонные лампы бегущей волны [1]. Такие ЛБВ, усиливающие одновременно сигналы в нескольких частотных диапазонах, содержат только один инжектор и один коллектор и несколько замедляющих структур (ЗС),
со своими вводами и выводами СВЧ-мощности (или без вводов мощности), соединенных секциями развязки (или без них). Существует несколько вариантов реализации многодиапазонных ЛБВ.
В данной работе описаны результаты разработки, изготовления и испытаний двухдиапазонной
лампы бегущей волны, схема которой показана на рис. 1.
Рис. 1. Схема двухдиапазонной лампы бегущей волны
Двухдиапазонная ЛБВ работает следующим образом. Электронный пучок с энергией 17–
20 кэВ и током 1,9–2,6 А создается в инжекторе импульсами длительностью до 100 мс, следующими с частотой до 1 Гц. Этот пучок попадает на вход первой замедляющей структуры (ЗС1) и
взаимодействует с СВЧ-сигналом относительно малой мощности, поступающим через волноводный переход и окно ввода СВЧ-энергии от внешнего генератора. Одновременно пучок подхватывается магнитным полем периодической фокусирующей системы (МПФС1) и удерживается от
разлета на стенки ЗС1. Характеристики электронного пучка, ЗС1 и МПФС1 подбираются таким
образом, что осуществляется взаимодействие пучка и СВЧ-сигналов в полосе частот от 50 до 59
относительных единиц (о.е.). Далее с выхода ЗС1 усиленная СВЧ-мощность через окно вывода
поступает в согласованную нагрузку для использования потребителем. Электронный пучок, отдав
часть своей кинетической энергии СВЧ-сигналу, поступает в секцию развязки и переходную часть
МПФС, где транспортируется до второй замедляющей структуры (ЗС2). При этом он разгруппировывается за счет кинематических эффектов (из-за приобретенного в ЗС1 разброса продольных
скоростей) и под действием собственных полей, возникших при модуляции пучка СВЧ-сигналом в
ЗС1. После транспортировки в секции развязки электронный пучок поступает в ЗС2, подхватывается магнитным полем МПФС2 и удерживается от разлета на стенки ЗС2. На вход ЗС2 от второго
генератора подается СВЧ-сигнал относительно малой мощности следующего частотного диапазона. Характеристики электронного пучка, ЗС2 и МПФС2 подбираются таким образом, что осуществляется взаимодействие пучка и СВЧ-сигналов в полосе частот от 27 до 36 о.е. Усиленная в
ЗС2 СВЧ-мощность через окно вывода также поступает в согласованную нагрузку для использования в различных приложениях. Электронный пучок, отдав вторую часть своей кинетической
энергии, поступает в предколлектор и транспортируется до коллектора. В коллекторе, работающем в режиме рекуперации, пучок заметную часть своей неиспользованной энергии возвращает
высоковольтным источникам питания. Оставшаяся энергия преобразуется в тепловую, поглощаемую водяной системой охлаждения коллектора.
Двухдиапазонная лампа бегущей волны
В созданной двухдиапазонной лампе бегущей волны обе ЗС являются «прозрачными», т.е.
в них не используются СВЧ-поглотители отраженной волны. Соответственно повышенные требования предъявляются к согласованию ЗС с передающими линиями. Моделирование процесса ее
согласования показало, что можно получить величину коэффициента стоячей волны (КСВн) не
более 1,5 как со стороны ввода, так и со стороны вывода СВЧ-энергии, во всей полосе пропускания обеих ЗС. Численные результаты подтверждены экспериментальными данными. Такая величина КСВн достаточна для работы ЛБВ без паразитного возбуждения.
В двухдиапазонном режиме прибор генерирует СВЧ-сигналы одновременно в двух частотных диапазонах. При этом в нем используются только один инжектор, один коллектор и по одному комплекту высоковольтных источников и системы охлаждения. При генерации СВЧ-сигналов
двух диапазонов двумя обычными (т.е. однодиапазонными) ЛБВ этих систем потребовалось бы по
две – по одной для каждой ЛБВ. Таким образом, возможна экономия на комплектации двухдиапазонного СВЧ-прибора. Помимо этого, использование в ЗС2 мощности электронного пучка, оставшейся после генерации СВЧ сигнала в ЗС1, может повышать КПД прибора.
Расчеты двухдиапазонной лампы требуют заметно большего объема работы по сравнению с
расчетом однодиапазонных ламп. Причина состоит в том, что для конкретного режима необходим
расчет не одной амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), а целого их ряда, равного количеству частот ЗС1, аппроксимирующих АЧХ первой секции. Для каждой из этих частот проводится
расчет полной АЧХ второй ЗС с использованием пучка, прошедшего первую секцию и усилившего СВЧ-сигнал в ней. Характерное значение количества частот в одной АЧХ равно 10, поэтому
объем расчетной работы возрастает примерно на порядок.
После проведения полномасштабного моделирования всех процессов в такой двухдиапазонной ЛБВ была разработана конструкция и выпущена конструкторская документация, по которой
лампа была изготовлена. Созданная лампа содержит ЗС1, состоящую из 12 ячеек длиной 10 мм
каждая; секцию развязки длиной 60 мм; ЗС2, состоящую из 12 ячеек длиной 17 мм каждая; предколлектор и коллектор электронного пучка. Магнитная система первой ЗС состоит из
6 магнитных ячеек (т.е. полупериодов магнитного поля) по 20 мм, секции развязки – из 3 магнитных ячеек по 20 мм, второй ЗС – из 12 ячеек по 17 мм. Амплитуды магнитного поля в такой магнитной системе находятся в диапазоне от 900 до 1200 Гс. В середине секции развязки, а также в
предколлекторе установлены изоляторы, что позволяет независимо измерять токооседание в каждой из секций и в коллекторе, а также подавать на коллектор высокое отрицательное напряжение
относительно второй секции для осуществления режима рекуперации мощности электронного
пучка.
На рис. 2 показана разработанная, изготовленная и действующая двухдиапазонная лампа бегущей волны, установленная на испытательном стенде.
В верхней части рисунка виден инжектор с кабелями, подводящими высокое напряжение,
находящийся в коробе (на рисунке он показан в открытом состоянии), защищающем работающий
персонал. Ниже короба – электровакуумный насос, еще ниже расположена замедляющая структура ЗС1. Слева от ЗС1 видны волноводы, подводящие (повыше) и выводящие (пониже) СВЧсигнал. Ниже ЗС1 видна секция развязки, за которой следует замедляющая структура ЗС2. Волноводы для вводимой и выводимой СВЧ-мощностей направлены за плоскость рисунка, поэтому частично заслонены структурой ЗС2. Снизу к этой структуре примыкают предколлектор и коллектор
электронного пучка, к которому подводится высокое напряжение для реализации рекуперационного эффекта. Поэтому он также находится в коробе (показан со снятой передней стенкой), защищающем персонал.
На рис. 3 представлены значения выходных мощностей прибора при его работе в двухдиапазонном режиме. Приведены графики зависимостей выходной мощности от частот ЗС2 (27–36 о.е.)
и от частот ЗС1 (50–59 о.е.). Результаты соответствуют рабочему напряжению 19 кВ.
В правых частях рисунков, соответствующих частотам ЗС1, нанесены различные символы
на четырех частотах: 53, 55, 57 и 59 о.е.. Они показывают значения СВЧ-мощности на выходе ЗС1,
при которых были измерены выходные мощности ЗС2, приведенные в левых частях рисунков и
изображенные сплошными линиями с соответствующими символами. То есть выходные мощности в диапазоне частот 27–36 о.е. приведены для четырех вышеуказанных частот ЗС2.
Двухдиапазонная лампа бегущей волны
Выходная мощность, Вт
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
26
Рис. 2. Двухдиапазонная лампа
бегущей волны на испытательном
стенде
F = 53 o.e.
F = 55 o.e.
F = 57 o.e.
F = 59 o.e.
28
30
32
34 36 50 52 54
Частота, отн. ед.
56
58
60
Рис. 3. Зависимости выходных мощностей двухдиапазонной ЛБВ
при работе в одно- и двухдиапазонном режимах
от частоты для напряжения 19 кВ
При работе в двухдиапазонном режиме в качестве входных сигналов задавались монохроматические СВЧ-сигналы величиной около 240 Вт в диапазоне частот 27–36 о.е. и 100–150 Вт – в
диапазоне частот 50–59 о.е. Кроме указанных величин на рис. 3 пунктирной линией изображена
зависимость выходной мощности от частоты ЗС2 в однодиапазонном режиме работы прибора, т.е.
при отсутствии СВЧ-сигнала в ЗС1.
Сравнение выходных мощностей в ЗС2 в двухдиапазонном (сплошные линии) и однодиапазонном режиме (пунктир) работы прибора показывает, что в двухдиапазонном режиме они меньше. Причина этого состоит в следующем. Пучок, усилив СВЧ сигнал в ЗС1, отдает СВЧ-сигналу
часть энергии и приобретает разброс скоростей, который и уменьшает усиление в ЗС2 по сравнению с однодиапазонным режимом, в котором пучок проходит ЗС1 без подачи входного СВЧ сигнала и поэтому не приобретает разброса скоростей.
Коэффициент усиления в ЗС1 равен 7–10 дБ. Коэффициент усиления в ЗС2 при работе в однодиапазонном режиме (т.е. без СВЧ-сигнала в ЗС1) равен 8–11 дБ. При работе в двухдиапазонном режиме коэффициент усиления в ЗС2 уменьшается до 7,0–9,5 дБ.
Токооседание электронного пучка измерялось отдельно для ЗС1 и ЗС2. В режиме без СВЧсигналов оно равно 10–20 мА в ЗС1 и 15–30 мА в ЗС2. При работе в СВЧ-сигналом токооседание в
ЗС1 вырастает до 20–30 мА. В ЗС2 токооседание при этом вырастает сильнее, чем в ЗС1, так как
сказываются рассеяние и торможение пучка в обеих ЗС: до 50–100 мА.
Анализ результатов показывает, что суммарная выходная мощность в двухдиапазонных режимах, т.е. сумма выходных мощностей в ЗС1 и ЗС2 получилась примерно на 0,5 кВт больше, чем
выходная мощность в однодиапазонном режиме работы с СВЧ-сигналом только в ЗС2.
В заключение с благодарностью перечислим наших сотрудников, без которых изготовление
и испытания описанной ЛБВ были бы невозможны. Это (по алфавиту) Агапов В.Н., Акулова О.В.,
Алексеев В.П., Андреев Н.В., Баранов В.Н., Васильев А.Е., Гуслицков И.К., Евдокимов Ю.В., Ефремов Н.М., Зорохович В.М., Каллагов В.Н., Колесникова Н.А., Муравьева Т.В., Прутский И.В.,
Федорова М.О. и др.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Белугин В.М., Розанов Н.Е. // Научная сессия МИФИ-2007. Сб. научных трудов.
Т. 7: Ускорительная техника. М., 2007. С. 180.