Введение к работе
Актуальность разрабатываемой проблемы.
В бортовой аппаратуре космических аппаратов различного назначения широко используются широкополосные лампы бегущей волны (ЛБВ) О-типа со спиральными замедляющими системами (ЗС). Надёжность, электрические и массогабаритные параметры этих ЛБВ в значительной мере определяют качество бортовых радиопередатчиков.
Первые ЛБВ для спутников связи были разработаны в США и СССР в начале 60-х годов XX века. С тех пор постоянно растущие потребности в увеличении объёмов передаваемой через спутники информации, улучшении качества космической связи и снижении её себестоимости в значительной степени удовлетворяются за счёт улучшения параметров бортовых ЛБВ.
На рубеже XX и XXI веков ретрансляторы российских спутников связи комплектовались ЛБВ О-типа отечественного производства, работающими в диапазонах длин волн 10 ч- 3 см. Они имели следующие основные параметры: долговечность около 50000 ч, промышленный КПД 40-50% в рабочей полосе 5-10%, коэффициент амплитудно-фазовых преобразований до 7 град/дБ и уровень гармоник в спектре выходного сигнала минус 10-15 дБ. Большой вклад в создание и промышленный выпуск ЛБВ, предназначенных для применения в системах спутниковой связи, внесли ведущие сотрудники предприятия ОАО «НПП «Алмаз» (г. Саратов): Роговин И.Е., Милютин Д.Д., Григорьев Ю.А., Калинин Ю.А., Кудряшов В.П., Роговин В.И., Козлов В.И. и другие.
Задачи дальнейшего повышения промышленного КПД до 60-70%, увеличения долговечности до 100-150 тысяч часов, снижения нелинейных искажений выходных сигналов ЛБВ для бортовой аппаратуры спутников связи относятся к наиболее важным и актуальным и включены в тематический план ОАО «НПП «Алмаз» в соответствии с Федеральной целевой программой «Развитие электронной компонентной базы и радиоэлектроники» на 2008 - 2015 годы.
Для решения этих задач необходимо провести исследования физических процессов, протекающих в ЛБВ О-типа при достижении предельно возможных значений параметров эффективности, надёжности и линейности характеристик. На основе этих исследований уточнить взаимосвязи основных параметров ЛБВ с конструктивными параметрами её узлов и параметрами рабочих режимов и определить методы реализации их оптимального сочетания.
Актуальными являются также и практические задачи исследования, проектирования и оптимизации конструкций и технологии основных узлов и систем ЛБВ для орбитальных комплексов спутниковой связи.
Решение этих задач позволит разработать и поставить на серийное производство высокоэффективные конструкции ЛБВ, отвечающие всем современным требованиям, предъявляемым к бортовой аппаратуре, используемой в системах спутниковой связи.
Цель работы. Исследование физических явлений, происходящих в ЛБВ О-типа и определяющих их надёжность и эффективность. Исследование, разработка и усовершенствование конструкций и технологии изготовления основных узлов ЛБВ для увеличения её долговечности до 150000 чи КПД до 60%.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
-
Оценка предельно возможных и реально достижимых значений электронного г)Э и промышленного у]пром КПД ЛБВ О-типа со спиральными ЗС, исследование и разработка конструкций спиральных ЗС, обеспечивающих снижение потерь мощности электромагнитных волн, повышение надёжности и эффективности ЛБВ.
-
Исследование влияния разброса энергий электронов в пространстве взаимодействия (ПВ) на токопрохождение в пролётном канале и эффективность рекуперации энергии электронного потока (ЭП) в коллекторе, выбор критериев оценки и направлений улучшения выходных параметров ПВ ЛБВ, применяемых в усилителях спутников связи.
-
Определение оптимальных функций изменения параметров ЗС и ПВ на всей их длине, обеспечивающігх высокие значения электронного и контурного КПД и КПД многоступенчатой рекуперации.
-
Поиск конструкторских и технологических решений задач повышения надежности и КПД при низком уровне нелинейных искажений усиливаемых сигналов.
-
Разработка и исследование ЛБВ с КПД более 60%, долговечностью 100-150 тыс. ч, коэффициентом амплитудно-фазовых преобразований не более 5 град/дБ и уровнем гармоник в спектре выходного сигнала не более минус 25 дБ.
-
Обобщение результатов проведенных исследований. Выработка рекомендаций по созданию высокоэффективных и надежных ЛБВ для систем спутниковой связи.
Научные положения и результаты, выносимые на защиту:
-
Приближенные аналитические зависимости, найденные на основе совместного рассмотрения упрощенной модели ЗС с конечными размерами поперечного сечения спирального проводника и модели взаимодействия бегущей волны с центральным электроном сгустка, позволяют оперативно находить предельно возможные и реально достижимые значения электронного и промышленного КПД высокоэффективных ЛБВ О-типа при заданных длине волны, ускоряющем напряжении и параметрах конструкции ЗС.
-
В предложенных новых конструкциях ЛБВ О-типа со спиральными ЗС (а.с. №1529998, а.с. №1730974, патент №2319250), за счёт изменения материала диэлектрических стержней и формы проводника спирали при постоянной площади его поперечного сечения уменьшаются потери мощности электромагнитных волн и улучшается теплоотвод от спирали, что приводит к увеличению КПД и повышению надёжности ЛБВ.
-
В ЛБВ О-типа с микропервеансом электронного потока не более 0,35 мкА/В3/2, сопротивлением связи спиральной ЗС не менее 50 Ом и уровнем нормированной величины распределенных потерь не более 0,05 можно реализовать изменения фазовых положений сгустков электронов в поле электромагнитной волны в пределах от 0,64л до 1,1 я, обеспечивающие постепенное увеличение нормированной амплитуды первой гармоники конвекционного тока до значений 0,8-1,2 и соответствующее увеличение электронного КПД до 30-40 %, при этом создать на выходе из пространства взаимодействия две-три группы электронов с небольшим разбросом энергий в группах, за счёт этого обеспечить высокую эффективность рекуперации энергии электронов в многосекционных коллекторах и повышение промышленного КПД таких приборов до 60-70%.
-
Полученные на основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований результаты численного и конструкторско-технологического проектирования узлов и систем ЛБВ О-типа обеспечивают увеличение долговечности этих приборов до 150 тыс. ч, КПД до 60-70%, а также снижение нелинейных искажений и уровня гармоник усиливаемых сигналов.
Методы исследования, достоверность и обоснованность результатов. В работе использованы аттестованные производственные методы испытаний, обеспечивающие получение достоверных результатов. Численные методы расчетов основаны на хорошо опробованном программном обеспечении из библиотеки САПР ЛБВ предприятия ОАО «НПП «Алмаз».
Эмпирические и теоретические методы исследования базируются на строго доказанных и корректно используемых выводах: электронной оптики, электродинамики и СВЧ электроники, положения которых нашли применение в работе.
Достоверность полученных результатов подтверждается: комплексным использованием известных, проверенных практикой, методов расчета и аттестованных методов испытаний основных функциональных узлов ЛБВ, а также согласованием новых положений теории с практикой и экспериментальными данными автора и других авторов.
Научная новизна работы:
-
Предложена аналитическая методика оценки предельно возможных и реально достижимых величин электронного и промышленного КПД ЛБВ О-типа, позволяющая приближенно определить для заданных диапазонов длин волн и значений КПД соответствующие им ускоряющие напряжения и параметры конструкции спиральной ЗС.
-
Уточнены сочетания расчётных значений ?/э> контурного КПД Цкон< КПД многоступенчатой рекуперации tjF для исследуемой модели ЗС и пространства взаимодействия, которые обеспечивают увеличение КПД ЛБВ до 70%.
-
Для ЛБВ О-типа со спиральной ЗС определены основные закономерности изменения параметров пространства взаимодействия на всей его длине, обеспечивающие как высокие значения tj3 и ?/Ш№ так и >jP.
-
Показано, что при найденном законе изменения замедления электромагнитных волн по длине ЗС можно обеспечить постепенное нарастание амплитуды первой гармоники конвекционного тока до значений 0,8-1,2 и поддержание этих значений на большой дайне выходного участка ПВ. При этом ?/э возрастает до 30-40 %, а в отработанном ЭП за счёт изменений фазового положения сгустков электронов в пределах от 0,64л до 1Дл образуются две-три группы электронов с небольшим разбросом энергий в группах, что обеспечивает эффективную рекуперацию их энергии в многосекционных коллекторах и повышение промышленного КПД ЛБВ до 60-70%.
-
Определены практические пути усовершенствования конструкции спиральной ЗС, позволяющие уменьшить в ней потери мощности электромагнитных волн и улучшить теплоотвод от спирали, что приводит к увеличению КПД и повышению надёжности ЛБВ.
Практическая значимость заключается в следующем:
-
Применение на этапе проектирования ЛБВ полученных автором обобщенных эмпирических данных и рекомендаций по выбору оптимальных конструктивных параметров спиральных ЗС и параметров ПВ позволяет сократить сроки и стоимость новых разработок за счет сокращения затрат на расчеты, проектирование и испытания экспериментальных макетов новых приборов.
-
Предложенная аналитическая методика оценки предельно возможных и реально достижимых величин электронного и промышленного КПД позволяет контролировать степень завершённости работы при численной оптимизации параметров ЛБВ О-типа со спиральными ЗС.
-
Результаты конструкторско-технологической разработки и исследований образцов ЛБВ космического назначения с предложенной конструкцией ЗС, соответствующей всем отличительным признакам а.с. №1529998, а.с. №1730974 и патента №2319250, могут быть практической основой для создания новых серийных приборов с };Пром около 70%, большой долговечностью (до 150 тыс. ч) и высоким качеством передачи сигналов в системах космической связи. Положительный эффект от применения этих результатов возрастает при уменьшении длин волн рабочих диапазонов ЛБВ.
-
По результатам выполненных автором диссертации теоретических и экспериментальных исследований разработаны, серийно производятся в ОАО «НПП «Алмаз» и эксплуатируются в аппаратуре спутников связи широкополосные ЛБВ средней мощности сантиметрового диапазона длин волн с параметрами, соответствующими современному техническому уровню: выходной мощностью 50-150 Вт, коэффициентом усиления 45-50 дБ, промышленным КПД 55-65%, долговечностью 100-150 тыс. ч, низкими
значениями нелинейных искажений и уровнем гармоник в спектре выходного сигнала не более минус 25 дБ.
5. Результаты диссертационной работы внедрены на предприятиях: ОАО «НПП «Алмаз», ОАО «ОКБ МЭИ», ОАО «Российские космические системы» и могут быть использованы в учебном процессе вузов страны, ведущих подготовку молодых специалистов по направлению «Электроника и наноэлектроника».
Апробация работы. Работа выполнена. в Саратовском государственном техническом университете имени Гагарина Ю.А. и ОАО «НПП «Алмаз» в период 2009-2013 г. Результаты работы докладывались и обсуждались на: международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (Саратов, СГТУ, 2006, 2008, 2010, 2012), Международной научно-технической конференции «Радиотехника и связь» (Саратов, СГТУ, 2005), научно-практической конференции РАСУ «Новые технологии в радиоэлектронике и системах управления» (Саратов, ФГУП «НПП «Алмаз», 2003), зимней школе-семинаре по СВЧ электронике и радиофизике (Саратов, СГУ, 2006), научно-технической конференции «Электронная и вакуумная техника: Приборы и устройства. Технология. Материалы». (Саратов, ОАО «НПП «Контакт», 2009), юбилейной научно-технической конференции, посвященной 70-летию ФГУП «НПП «Исток» «СВЧ-ЭЛЕКТРОНИКА. 70 ЛЕТ РАЗВИТИЯ» (Фрязино, ФГУП «НПП «Исток», 2013) и др.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 20 печатных работ, в том числе 6 работ в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получены 2 авторских свидетельства и 1 патент на изобретение.
Личный вклад автора заключается в выборе цели и постановке задач исследований, проведении теоретических и экспериментальных исследований. Им предложены и обоснованы представленные в диссертации конструкции спиральных ЗС, защищенные а.с. №1529998, а.с. №1730974 и патентом №2319250, и совместно с соавторами изобретений проведены их исследования. Автор является главным конструктором ряда спиральных ЛБВ космического применения, при создании которых использованы основные результаты диссертационной работы. Представленные результаты исследований получены автором лично и совместно с соавторами научных статей.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложения. Ее объем 118 страниц, включая 25 рисунков, 8 таблиц, 69 наименований цитируемых источников.
