Повышение надёжности и эффективности ламп бегущей волны, применяемых в выходных усилителях спутников связи тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.02, кандидат наук Шалаев, Павел Данилович

• Шалаев, Павел Данилович
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Шалаев, Павел Данилович

Оглавление

Введение

Глава 1. основные параметры, характеристики, конструкции и особенности

технологии ЛБВ для спутниковой связи

1.1 Современное состояние теоретических и экспериментальных исследований в области разработки высокоэффективных ЛБВ-О

типа для выходных усилителей СВЧ мощности спутников связи

1.2 Основные параметры и характеристики ЛБВ-0 типа, применяемых в выходных усилителях СВЧ мощности спутников связи

1.3 Конструктивные и технологические принципы создания ЛБВ с высоким КПД и длительным сроком активного существования

1.4 Пути улучшения параметров спутниковых ЛБВ. Выбор направлений исследования

1.5 Основные выводы

Глава 2. Численное моделирование и оптимизация комплекса выходных

параметров конструкции высокоэффективной ЛБВ с длительным сроком

активного существования

2.1 Методы повышения КПД ЛБВ О-типа

2.2 Методы моделирования и поиска параметров ЗС и пространства взаимодействия для максимального увеличения КПД ЛБВ-0 типа

2.3 Конструкция и основные характеристики усовершенствованной спиральной ЗС

2.4 Результаты экспериментального исследования усовершенствованной спиральной ЗС

2.5 Основные выводы

Глава 3. Расчеты и конструирование основных узлов спиральных ЛБВ для

спутников связи

3.1 Метод аналитического определения области значений т}э, Л кон, Лр

обеспечивающих заданное увеличение КПД ЛБВ О-типа

3.2 Расчёт и оптимизация параметров пространства взаимодействия и конструкции спиральной ЗС ЛБВ О-типа с КПД 70%

3.3 Траекторный анализ электронных потоков с широким спектром

энергий электронов в ЭОС с магнитной периодической фокусировкой

3.4 Влияние разброса энергий электронов в пространстве взаимодействия на токопрохождение в пролётном канале и эффективность рекуперации энергии электронного потока в коллекторе

3.5 Основные выводы

Глава 4. Результаты разработки, экспериментальных исследований и

промышленных испытаний спиральных ЛБВ и усилителей на их основе

4.1. Конструкции ЗС, электронной пушки, МПФС и коллектора ЛБВ с

высокими надёжностью и КПД

4.1.1 Конструкция замедляющей системы

4.1.2 Конструкция ЭОС

4.1.3 Магнитная периодическая фокусирующая система

4.1.4 Многоступенчатый коллектор

4.2 Результаты экспериментального исследования опытных образцов

ЛБВ О-типа с КПД 70% и долговечностью не менее 150 000 ч

4.3 Снижение нелинейных искажений усиливаемых сигналов в высокоэффективных ЛБВ и усилителях на их основе

4.4 Результаты разработки, исследований и промышленного производства серийных ЛБВ

4.5 Основные выводы

Заключение

Список использованных источников

Приложение,,

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение надёжности и эффективности ламп бегущей волны, применяемых в выходных усилителях спутников связи»

ВВЕДЕНИЕ

Развитие глобальных спутниковых систем передачи информации в России в первые десятилетия 21 века [1,2] потребовало научно-технического обеспечения возможности значительного снижения себестоимости спутниковых связных каналов, существенного увеличения сроков активного существования орбитальных систем связи и увеличения скорости передачи информации через ретрансляторы спутников связи.

В бортовой аппаратуре космических аппаратов различного назначения широко используются 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 20-го 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 20-го и 21-го веков ретрансляторы российских спутников связи комплектовались ЛБВ О-типа отечественного производства, работающими в диапазонах длин волн 10 Зсм. 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 предприятий ФГУП «НПП «Исток» (г. Фрязино) Мякиньков Ю.П., Победоносцев A.C., Блейвас И.М., Голеницкий И.И., Обрезан Л.А., Ровенский

Г.В., Никонов Б.П., и ОАО "НЛП "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 этих ЛБВ до 6070%, 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.

Степень разработанности темы.

Выполненные по теме диссертации исследования базируются на известных научных разработках: линейной и нелинейной теории ЛБВ, электродинамики СВЧ-электромагнитных полей, теориях электронной и магнитной оптики, экспериментальных методах, разработанных ранее и хорошо зарекомендовавших себя. В процессе выполнения диссертационной работы разработаны и использованы новые методы получения экспериментальных результатов, методы аналитических исследований,

созданы и исследованы новые конструкции и технология основных узлов ЛБВ-0 типа с улучшенными параметрами, созданы экспериментальные и промышленные образцы ЛБВ со спиральными ЗС, соответствующие современным требованиям к бортовой аппаратуре спутников связи.

Цель и задачи 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 ч. и КПД до 60 %.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

1. Оценка предельно возможных и реально достижимых значений электронного г\э и промышленного г\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.

2. 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.

3.Определение оптимальных функций изменения параметров ЗС и ПВ на всей их длине, обеспечивающих высокие значения г\э, контурного Цкон КПД и КПД многоступенчатой рекуперации г\Р.

4. Поиск конструкторских и технологических решений задач повышения надежности и КПД при низком уровне нелинейных искажений усиливаемых сигналов.

5. Разработка и исследование ЛБВ с КПД более 60%, долговечностью 100150 тыс. ч., коэффициентом амплитудно-фазовых преобразований не более 5 град/дБ и уровнем гармоник в спектре выходного сигнала не более минус 25 дБ.

6. Обобщение результатов проведенных исследований. Выработка рекомендаций по созданию высокоэффективных и надежных ЛБВ для систем спутниковой связи.

Научные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. 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.

2. 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.

3. В ЛБВ О-типа, с микропервеансом электронного потока не более 0,35 мкА/В , сопротивлением связи спиральной ЗС не менее 50 Ом и уровнем нормированной величины распределённых потерь не более 0,05 можно реализовать изменения фазовых положений сгустков электронов в поле электромагнитной волны в пределах от 0,64тс 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%.

4. 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 обеспечения 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:

1. 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.

2. Уточнены сочетания расчётных значений г]э, Цкои, Цр для исследуемой модели ЗС и пространства взаимодействия, которые обеспечивают увеличение КПДЛБВ до 70%.

3. Для ЛБВ О-типа со спиральной ЗС определены основные закономерности изменения параметров пространства взаимодействия на всей его длине, обеспечивающие высокие значения как г]э и цкон, так и цР.

4. 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 длине выходного участка ПВ. При этом г]Э возрастает до 30-40 %, а в отработанном ЭП за счёт изменений фазового положения сгустков электронов в пределах от 0,64л; до 1,1л 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%.

5. 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:

1. 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.

2. 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.

3. 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 Цпром около 70%, большой долговечностью (до 150 т.ч.) и высоким качеством передачи сигналов в системах космической связи. Положительный эффект от применения этих результатов возрастает при уменьшении длин волн рабочих диапазонов ЛБВ.

4. По результатам выполненных автором диссертации теоретических и экспериментальных исследований разработаны, серийно производятся в ОАО «НПП «Алмаз» и эксплуатируются в аппаратуре спутников связи 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 «Hl Ш «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 «НЛП «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 рекомендованных ВАК изданиях, получено 2 авторских свидетельства и 1 патент на изобретения.

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 стр., включая 25 рисунков, 8 таблиц, 69 наименований цитируемых источников.

ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ, ХАРАКТЕРИСТИКИ, КОНСТРУКЦИИ И ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ЛБВ ДЛЯ

СПУТНИКОВОЙ связи

1.1 Современное состояние теоретических и экспериментальных исследований в области разработки высокоэффективных ЛБВ-О типа для выходных усилителей СВЧ мощности спутников связи

Современное состояние теоретических и экспериментальных исследований в области разработки ЛБВ-0 для выходных усилителей СВЧ мощности спутников связи в России и за рубежом характеризуется следующими основными общими признаками:

- теоретические исследования базируются на хорошо развитых линейной и нелинейной теории ЛБВ О-типа, электродинамике спиральных замедляющих систем, электронной оптике, теории согласования волноведущих линий, известны, известных законах термодинамики и теплотехники, результатах выполненных ранее экспериментальных работ;

- имеется большое количество экспериментальных данных и методик, полученных ранее, которые могут быть учтены в процессе новых экспериментальных исследований;

- разработаны и эффективно применяются методы численного моделирования физических процессов, протекающих в функциональных узлах ЛБВ, и методы машинной обработки экспериментальных результатов;

- современная вычислительная техника и программное обеспечение значительно расширили возможности проведения теоретических и экспериментальных исследований с учётом развития физических процессов в трёхмерном пространстве с большим количеством влияющих факторов;

- наличие быстродействующей вычислительной техники с большими объёмами памяти стимулирует развитие новых методов теоретических и экспериментальных исследований.

Имеются так же и отличия в современном состоянии рассматриваемых теоретических и экспериментальных исследований. Они связаны в основном с разницей в уровне обеспечения Российских и зарубежных предприятий специальным технологическим, измерительным и испытательным оборудованием и специальными материалами.

Основные параметры ЛБВ О-типа космического применения, созданных за рубежом и в России до 2005 г., приведены в таблицах 1, 2.

Таблица 1. Параметры зарубежных ЛБВ.

Тип ЛБВ Фирма Страна Диапазон Рвых, Ку, КПД Долговеч-

частот, ГГц Вт ДБ ,% ность, тыс. ч

TL4071 Thales Франция 3,7-4,2 65 48 63 150

85100Н Hughes США 3,7-4,2 100 51 64 150

TL4115 Thales Франция 3,7-4,2 95 48 67 150

ТН4704 Thales Франция 7,25 - 8,5 50 53 65 150

ТН4300 Thales Франция 7,25 - 8,5 100 57 68 150

88125Н Hughes США 11,2-11,7 100 51 72 150

TL12079 Thales Франция 10,7-12,7 50 48 66 150

TL12104 Thales Франция 10,7-12,7 90 48 67 150

9130Н Hughes США 19,7-20,2 100 51,8 64 100

ТН4052 Thales Франция 27,5-31,0 150 0,45 40 100

LD7825 NEC Япония 27,5-30,0 175 0,45 42,5 100

В таблице и далее: Рвых - выходная мощность, Ку - коэффициент усиления.

Таблица 2. Параметры отечественных ЛБВ.

Тип ЛБВ Диапазон частот, ГГц Рвых, Вт Ку, дБ КПД, % Долговечность, тыс. ч

УВ-А2000 3,4-3,9 40 42 45 57,5

УВ-А2002 3,4-3,9 80 42 40 55

УВ-А2003 7-8 40 40 50 77

УВ-А2007 11,7-12,5 150 50 46 55

УВ-А2010 13,4-14 50 50 45 77

УВ-А2011 14,5-15,5 40 50 45 55

Из таблиц 1 и 2 видно, что до 2005 г. основные параметры отечественных ЛБВ были существенно ниже параметров зарубежных приборов. Необходимо отметить, что до 1995 г. параметры отечественных и зарубежных ЛБВ были на одном уровне, соответствующем таблице 2. Со средины 90-х годов двадцатого века до 2008 года в России не проводилось систематических научно-исследовательских работ, направленных на создание ЛБВ космического применения, соответствующих требованиям современных и перспективных систем космической связи, и развитие научной, технологической и производственной базы для этого.

В этот же период ведущие зарубежные фирмы разработчики и производители ЛБВ космического применения (Thaies Electron Devices (Франция), Hughes (США), L-3 (США), NEC (Япония), ряда научно-исследовательских институтов Китая) вели интенсивные исследованиями в этом направлении. В результате этих исследований, уже до 2002 г., за рубежом были созданы ЛБВ со спиральными ЗС для современных систем космической связи и совершенная технологическая база для их производства.

С 2008 года, в соответствии с Федеральной целевой программой «Развитие электронной компонентной базы и радиоэлектроники» на 2008 - 2015 годы, в России

возобновилось финансирование опытно-конструкторских работ по созданию базовых конструкций и технологий ЛБВ для перспективных систем спутниковой связи. Это позволило выполнить диссертационные исследования в полном объёме и использовать их результаты при разработке новых ЛБВ с высокой надёжностью и КПД.

Проводимые ОАО "НПП Алмаз" в 2005-2013 годах работы, были направлены на разработку ЛБВ в выделенных регламентом радиосвязи диапазонах длин волн, повышение надежности, увеличение выходной мощности и КПД. Созданные на предприятии технологическая и экспериментальная база, система автоматизированного проектирования ЛБВ обеспечили выполнение обширной программы теоретических и экспериментальных исследований, результаты которых легли в основу разработок следующих поколений приборов космического применения [3-5].

Перечисленные выше зарубежные фирмы так же продолжают вести активные исследования и разработки всё более совершенных ЛБВ для спутников связи [69]. Развитие ЛБВ за рубежом в эти годы обеспечивалось:

- созданием мощных вычислительных центров и комплекса программ для расчета основных функциональных узлов ЛБВ на основе их трехмерных моделей. Это позволило за счет повышения точности расчетов объединить процессы проектирования и производства приборов в единую технологическую цепочку;

- развитием технологической базы производства узлов с применением оборудования особо высокой точности. Поля допусков при производстве узлов электронных пушек и замедляющих систем составляют 0,5 - 5 мкм;

- разработкой и внедрением новых материалов и технологии их обработки алмазных диэлектрических опор для линий замедления и графитовых токоприемников коллекторов со специальной структурой поверхности;

- совершенствованием средств контроля качества и методов испытаний, развитием контрольно-испытательной базы.

Технология создания новых поколений отечественных ЛБВ развивается в этих же направлениях с некоторыми особенностями, которые диктуются общим технологическим и финансовым уровнем Российской экономики.

В ОАО «НПП «Алмаз» в процессе разработки новых ЛБВ космического применения наибольший объём работ выполняется с целью обеспечения её надёжности. Это связано с тем, что снижение надёжности увеличивает ' вероятность отказа ЛБВ в аппаратуре и соответственно полной утраты функций назначения спутником связи. Особо важное значение надёжности ЛБВ было установлено уже при разработке и испытаниях первых отечественных спутников связи «Молния-1» [10].

Проектирование начинается с разработки технического проекта ЛБВ с использованием системы автоматизированного проектирования (САПР). Комплекс программ, входящих в библиотеку САПР, разработанный специалистами предприятия [11], ориентирован на использование персональных компьютеров (ПЭВМ) типа IBM PC с большими быстродействием и объемом оперативной памяти.

На следующих этапах создания новых ЛБВ используется современное сложное специальное технологическое оборудование. В ОАО «НПП «Алмаз» развитие технологической базы является важным направлением работ при создании и постановке на производство ЛБВ с высокими надёжностью и КПД.

1.2 Основные параметры и характеристики ЛБВ-О типа, применяемых в выходных усилителях СВЧ мощности спутников связи

Параметры ЛБВ, работающих в аппаратуре спутников связи в околоземном космическом пространстве, должны соответствовать специфическим требованиям, связанным с условиями эксплуатации. При выведении спутника на

рабочую орбиту ЛБВ должна выдерживать воздействие механических нагрузок в виде широкополосной случайной вибрации в диапазоне 1- 2000 Гц с среднеквадратичной амплитудой ускорения до 20 g, ударных нагрузок до 200 линейного ускорения до 50 После выведения спутника на орбиту ЛБВ должна безотказно работать в течение 100-150 тысяч часов в условиях ограниченного потребления энергоресурсов и воздействия факторов околоземного космического пространства при частичной их экранировке. Возможность ремонта бортовой радиоаппаратуры путём замены ЛБВ исключается. Параметры ЛБВ должны обеспечивать высокое качество передачи информации по линиям связи в цифровом формате при использовании сложных, модулированных по амплитуде и фазе сигналов.

В соответствии с этими условиями задаются основные требования к ЛБВ:

- высокая надёжность - способность выдерживать большие механические перегрузки во время выведения космического аппарата на орбиту и безотказно работать в течение 100-150 тысяч часов в условиях воздействия факторов околоземного космического пространства при частичной их экранировке;

- высокий КПД;

- хорошая линейность усиления входных сигналов;

- широкая полоса рабочих частот (5-10% в рабочих диапазонах от 1,5 до 30

ГГц);

- выходная мощность 50-200 Вт (в соответствии с требованиями применения в различных радиолиниях);

- коэффициент усиления 45-50 дБ;

- минимально достижимые питающие напряжения, габариты и масса.

Создание ЛБВ с указанным выше комплексом выходных параметров

затруднено как из-за предельно высокого уровня технических требований так и из-за многообразия и сложности физических процессов, протекающих в их функциональных узлах. При создании таких ЛБВ необходимо учитывать

закономерности распространения и преобразования электромагнитных волн в спиральных ЗС, формирования и сопровождения в статических электрических и магнитных полях электронных потоков, взаимодействия электронных потоков с электромагнитными полями в спиральных ЗС, термоэлектронной и вторичной эмиссии, рекуперации энергии электронов в статических электрических полях, нагрева и теплопередачи, откачки, очистки и обезгаживания, диффузии, испарения, адсорбции, ионизации веществ и др. При этом надо учитывать, что все физические и химические процессы, протекающие как в работающей, так в неработающей ЛБВ взаимосвязаны.

1.3 Конструктивные и технологические принципы создания ЛБВ с высоким КПД и длительным сроком активного существования

Для создания ЛБВ с высоким КПД и длительным сроком активного существования разработаны базовые технологии и конструкции основных узлов на основе: нового материала — пиролитического нитрида бора ВК с ромбоэдрической кристаллической структурой (получил наименование «ромбонит»), псевдосплава меди с высокой тепло и электропроводимостью и пределом упругости близким к апределу упругости молибдена, медно-молибденового композиционного материала, согласованного по коэффициенту термического расширения с алюмооксидной керамикой. В производство деталей и узлов ЛБВ внедряется новое высокоточное автоматизированное технологическое оборудование. Разработана технология производства ЗС с допуском по шагу 5-10 мкм.

Использование новых материалов и возможности высокоточного оборудования обеспечивает создание ЗС с низкими потерями энергии электромагнитных волн, многосекционных коллекторов с высокой эффективностью рекуперации энергии электронного потока с широким спектром

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Шалаев, Павел Данилович, 2013 год

Список использованных источников

1. В.И. Павлов Перспективы развития национальной системы спутниковой связи и вещания на период до 2015 года// "Электросвязь" 2004, № 5, С. 5-7.

2. В.В. Ноздрин Технико-экономическое состояние и тенденции развития рынка услуг спутниковой связи и вещания. // "Электросвязь" 2006, № 9, С. 10 -15.

3. Шалаев П. Д. Новые разработки бортовых ламп бегущей волны для космических аппаратов / Д.Д. Милютин, П.Д. Шалаев, Б.А. Горский // Радиотехника. 2001. № 2. С. 33-36.

4. Шалаев П. Д. Новые технологии в ЛБВ для бортовых и наземных систем спутниковой связи / Д.Д. Милютин, П.Д. Шалаев, Б.А. Горский, A.A. Горская // Новые технологии в радиоэлектронике и системах управления: материалы науч.-практ. конф. РАСУ, Саратов, ФГУП «НПП «Алмаз», 22-25 сентября 2003 г. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2003. С. 274-286.

5. Шалаев П. Д. Технология и обеспечение качества ЛБВ для бортовой аппаратуры космических платформ / Д.Д. Милютин, П.Д. Шалаев, Б.А. Горский, Т.Н. Кузнецова, A.A. Горская, В.А. Ярцев, В.К. Ерофеев, М.М. Храпова // Электронные приборы и устройства СВЧ: материалы науч.-техн. конф., Саратов, ФГУП «НПП «Алмаз», 28-30 августа 2007 г. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2007. С. 65-79.

6. W.L. Menninger SeventyPercent Efficient Flight Set Averag Ku-band Traveling Wave Tubes for Satellite Communications/ W.L. Menninger, S.T. Blunk, W.L. McGeary// The Proceedings of the 7th IEEE International Vacuum Electronics Conference, 2006, pp. 21-22.

7. Chae K. Chong Ka-Band Satellite Uplink High-Power Helix TWTs: Output Power Evolution at L-3 ETI/ Chae K. Chong, Jeff W. Forster, Dennis A. Layman,

Richard J. Stolz// The Proceedings of the 11th IEEE International Vacuum Electronics Conference, 2010, pp. 53-54.

8. D.R. Dibb High-Efficiency, Production 40-130 W K-Band Traveling-Wave Tubes for Satellite Communications Downlinks/ D.R. Dibb, S. Aldana-Gutierrez, R.T. Benton, W.L. McGeary, W.L. Menninger // The Proceedings of the 12th IEEE International Vacuum Electronics Conference, 2011, pp. 37-38

9. Ernst Bosch Travelling Wave Tubes for modern satellite communications/ Ernst Bosch, Alain Laurent // The Proceedings of the 14th IEEE International Vacuum Electronics Conference, 2013. Session 2C.

Ю.Ровенский Г.В. Мякиньков Юрий Павлович — ведущий разработчик ЛБВ// Наукоград Фрязино. 2013. с. 112.

11. Журавлёва В.Д. Компьютерное моделирование современных ламп бегущей волны различного назначения/ Журавлёва В.Д., Ильина Е.М., Конторин Ю.Ф. и др. // Радиотехника. 2001. №2.

12. Шалаев П. Д. Результаты разработки образца ЛБВ средней мощности в трёхсантиметровом диапазоне с КПД до 69%. / П.Д. Шалаев // Перспективы развития электроники и вакуумной техники на период 2001 - 2006 гг.: материалы науч.-техн. конф., Саратов, ГНПП «Контакт», 22-23 февраля 2001 г. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2001. С. 62-67.

13. Баранцева О.С. Способ изготовления металлопористого катода с двухслойной губкой / Баранцева О.С., Козлов В.И., Осипов В.А. // А.С. №1621771. ОАО "НПП "Алмаз". 24.02.1987.

14. Мельникова И.П. Способ изготовления металлопористых катодов./ Мельникова И.П., Усанов Д.А. // Патент РФ №1634044. ОАО "НПП "Алмаз". 21.10.1993.

15. Мельникова И.П., Козлов В.И., Усанов Д.А. Способ изготовления термокатода для электронного прибора и состав припоя для изготовления

термокатода // Патент РФ №2079922. ФГУП "НПП "Алмаз". 20.05.1997. // A.C. №1621771. ОАО "НПП "Алмаз". 24.02.1987.

16. Пирс Дж. Лампа с бегущей волной // М. Сов. радио. 1952. С. 230.

17. Манькин И.А. Оптимизация ЛБВ с линейно меняющимся шагом спирали / Манькин И.А., Поляк В.Е.// Электронная техника. Сер. 1, Электроника СВЧ. 1978. №11 С.27-33.

18. Кураев A.A. Оптимизация ЛБВО с нерегулярной замедляющей системой/ Кураев A.A., Соловей М.П. // Радиотехника и электроника. 1982.Т.27. №6. С.1234-1236.

19. Поляк В.Е. Особенности группировки и энергообмена с бегущей волной при оптимальном взаимодействии О-типа / Поляк В.Е., Филатов В.А. // Радиотехника и электроника. 1986. Т.31. №11. С.2233-2240.

20. Панин А.Ф. Применение неоднородных, нерезонансных ЗС для повышения электронного КПД ЛБВО / Панин А.Ф., Поляк В.Е., Филатов В.А. // Обзоры по электронной технике. Сер. 1. Электроника СВЧ. 1987. Вып. 8. С. 76.

21. Манькин И.А. О максимальном КПД лампы бегущей волны О-типа / Манькин И.А., Поляк В.Е. // Радиотехника и электроника. 1989. Т.ЗЗ. Вып. 6. С. 1249-1254.

22. Филимонов Г.Ф. Изохронная лампа бегущей волны // Радиотехника и электроника. 1958. Т.2. №1. С. 85-93.

23.Кац A.M. О различных способах введения изохронности в ЛБВ / Кац A.M., Манькин И.А. // Вопросы радиоэлектроники. Сер. Электроника. 1964.Вып. 1.С.45.

24. Цейтлин М.Б. Лампа с бегущей волной / Цейтлин М.Б., Кац A.M. // М. Сов. радио. 1964. С. 312.

25.Роу Дж. Е. Теория нелинейных явлений в приборах СВЧ // Пер. С англ. Под ред. Чернова З.С. М. Сов. радио. 1969. С. 616.

26. Перекупке» B.A. Выбор режима работы изохронных ЛБВ // Электронная техника.Сер. 1 .Электроника СВЧ. 1970. Вып. 6. С.95-102.

27. Солнцев В.А. Анализ изофазных ламп с бегущей волной // Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ. 1971.Вып. 11. С 87-95.

28. Gerchberg R.W. The positively tapered Trevelling-Wave Tube // IEEE Trans. 1969. Vol. ED-16. №9. PP. 827-828.

29. Победоносцев A.C. Исследование ЛБВ со скачком скорости электронов и со скачком фазовой скорости волны в выходной части линии замедления / Победоносцев А.С., Ровенский Г.В., Малькова Н.Я. // Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ. 1973.Вып 2. С. 51-56.

30. Баширов Р.А. Механизм повышения КПД ЛБВ с увеличенной фазовой скоростью на выходном участке замедляющей системы / Баширов Р.А., Перекупко В.А. // Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ. 1970.Вып 11. С. 12-18.

31. Победоносцев А.С. Теоретически™ анализ ЛБВ с увеличенной фазовой скоростью волны в выходной секции замедляющей системы / Победоносцев А.С., Ровенский Г.В., Малькова Н.Я. // Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ. 1971.Вып 4. С. 148-150.

32. Кураев А. А. Достижения в повышении КПД спутниковых ЛБВ-0 / Кураев А. А., Синицын А. К. // 2002 12th Int. Crimean Conference "Microwave & Telecommunication Technology" (CriMiCo'2002). 9-13 September, Sevastopol, Crimea, Ukraine.

33. Роговин В.И. Коллекторы с рекуперацией для ЛБВО и клистронов / Роговин В.И., Семёнов С.О. // Обзоры по электронной технике. Сер. 1. Электроника СВЧ. 1986. Вып. 4. С. 70.

34. Финкелыптейн Ю.Х., Антонова Т.Н. Программа расчёта дисперсии, сопротивления связи и затухания спиральной замедляющей системы. Электронная техника. Сер.1, Электроника СВЧ. 1990, вып. 9, С. 70.

35. Амиров В.Р., Калинин Ю.А., Панин А.Ф. и др. Программа расчёта выходных характеристик ЛБВ с неоднородными по длине ЗС в диалоговом режиме. Электронная техника. Сер.1, Электроника СВЧ. 1985, вып. 4, С. 70-71.

36. Шалаев П. Д. Об одной возможности оценки конструктивных ограничений электронного КПД спиральных ЛБВ / П. Д. Шалаев // Радиотехника и связь: материалы Междунар. науч.-техн. конф., Саратов, 18-20 мая 2005 г. Саратов: СГТУ. 2005. С. 372-377.

37.Kosmahl E.G. How to quickly predict the overall TWT and the multistage depressed collector efficiency // IEEE Trans. Electron Devices. 1980. Vol. ED-27. N 3. P. 526-529.

38. Шалаев П.Д. A.c. №1529998 на изобретение. Лампа бегущей волны / Шалаев П.Д., Аникин Г.П., Манькин И.А., // Зарегистрировано в Государственном реестре изобретений СССР 15 августа 1989 г. Заявка № 4289983. Приоритет изобретения от 27 июля 1987 г.

39. Шалаев П.Д. А.с. №1730974 на изобретение. Лампа бегущей волны / Шалаев П.Д., Манькин И.А., // Зарегистрировано в Государственном реестре изобретений СССР 3 января 1992 г. Заявка № 4725772. Приоритет изобретения от 4 августа 1989 г.

40. Шалаев П.Д. Патент №2319250 на изобретение. Лампа бегущей волны / Шалаев П.Д., Харченко В.Ф. // Зарегистрировано в Государственном реестре изобретений Российской Федерации 10 марта 2008 г. Заявка № 2006116801. Приоритет изобретения 16 мая 2006 г.

41. Gilmour A.S., Theoretical and experimental TWT helix loss determination/ Gilmour A.S., Gillette M.R., Chen Jenn-Tsung // IEEE Transactions on ED. 1979. n.10. рЛ 581-1588.

42. Aldana S.L. K-band TWT using new diamond rod technology/ Aldana S.L. Tamashiro R.N. // 13th AIAA Int. Commun. Satell. Syst. Conf. and Exhib, Los Angeles, Calif. Washington, March, 11-15, 1990, p. 766-770.

43. Morishita I., Development of 200 W TWT's for broadcast satellites/ Morishita I., Sasaki M. // NHK Laboratories Note. № 306. 1984. p. 2 - 11.

44. Бершадская М.Д., Исследование свойств пиролитического нитрида бора/ Бершадская М.Д., Аветиков В.Г., Шарупин Б.Н. //Электронная техника. Сер. Материалы 1978,вып.6, с. 60 - 66.

45. Muenneman F., Dual-mode 20 GHz downlink TWT for the ACTS satellite/ Muenneman F., Dombro L., Long J. // Microwave System News. vol. 18. № 5. 1988, p. 50-61.

46. Дедков B.C. Свойства пиролитического ромбоэдрического нитрида бора/ Дедков B.C., Кабышев А.В., Конусов Ф.В., Лопатин В.В., Шарупин Б.Н. // Неорганические материалы. Т 32. № 6. 1996. С. 690 - 695.

47. Шарупин Б.Н. Пиролитический ромбоэдрический нитрид бора и способ его получения/ Шарупин Б.Н., Тупицина Е.В., Осмаков А.С., Маметьев Р.Ю. // Патент РФ №2167224 опубл. 20.05.2001г.

48. Шалаев П. Д. Об анализе направлений повышения КПД ЛБВ / П.Д. Шалаев // Актуальные проблемы электронного приборостроения. АПЭП-2006: материалы Междунар. науч.-техн. конф., 20-21 сентября 2006 г. Саратов: СГТУ, 2006. С. 120-127.

49. Bosch Е. et. al. Achievements and new development trends of satellite communication TWT's // Proceedings Second European Conference on Satell. Commun. Liege, Belgium. 22-24 Oct. 1991. P. 513 - 516.

50. Шалаев П. Д. Высокоэффективные лампы с бегущей волной / И.А. Манышн, П.Д. Шалаев // Радиотехника и электроника. 1991. Вып. 10. С. 2004-2011.

51. Силин Р.А. Замедляющие системы / Силин Р.А., Сазонов В.П. // М. Сов. радио. 1966. С. 632.

52. Кац A.M. Нелинейные явления в СВЧ приборах О-типа с длительным взаимодействием./ Кац A.M., Ильина Е.М., Манькин И.А. // Москва. Сов. радио, 1975, С. 296.

53. Кураев А.А. Численные методы оптимизации в задачах электроники СВЧ / Кураев А.А., Ковалёв И.С., Колосов С.В. // Минск. Наука и техника. !975, С. 296.

54. Бочаров Е.П., Левин Ю.И., Трубецков Д.И. Методы оптимального управления в задачах электроники СВЧ. Электронная техника.Сер. 1, Электроника СВЧ. 1975, вып. 3, С. 3-17.

55. Ильин В.П. Численные методы решения задач электрофизики // М. Наука. 1985. С. 334.

56. Алямовский И.В. Электронные пучки и электронные пушки // М. Сов. Радио. 1966. - 456.

57. Щербаков Ю.Н., Якунин А.Н. Конечно-элементное моделирование эмиссии термокатода электронной пушки // Математическое моделирование.-1997.- Вып.1.- С.3-7.

58. Шалаев П. Д. О моделировании многоскоростного электронного потока / Ю.Н. Щербаков, А.Н. Якунин, П.Д. Шалаев // Математическое моделирование. 1997. Т. 9. № 11. С. 14-22.

59. Бронштейн Л.С. Вторичная электронная эмиссия // М. Мир. 1972.

60. Шалаев П. Д. О корреляции флуктуаций расчётных параметров многоступенчатых коллекторных систем с погрешностями численной модели / Ю.Н. Щербаков, А.Н. Якунин, П.Д. Шалаев // Актуальные проблемы электронного приборостроения. АПЭП-2000: материалы Междунар. науч.-техн. конф. Саратов: СГТУ, 2000. С. 159-164.

61. Shalaev P.D. High-Perveance Electron Optic System with Low-Voltage Non-Gridded Control / G.N. Babanov, S.P. Morev, P.D. Shalaev // Proceeding of the Fourth International Vacuum Electron Sources Conference. Saratov, Russia, July 15-19, 2002. Saratov: Publishing House of the State Educational & Scientific Center "College", 2002. P. 315-316.

62. Шалаев П. Д. Исследование амплитудно-фазовых характеристик спиральных ЛБВ средней мощности с высоким электронным КПД / П.Д. Шалаев, И.В. Шилин // Перспективные направления развития электронного приборостроения: материалы науч.-техн. конф., Саратов, ФГУП «НПП «Контакт», 18-19 февраля 2003 г. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2003. С. 8-12.

63. Шалаев П. Д. Результаты исследования возможности повышения КПД ЛБВ в составе СВЧ-усилителя мощности в линейном режиме работы / П.Д. Шалаев, Д.Л. Симонов // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2011. №1 (52). С. 170-180.

64. Шалаев П. Д. Результаты исследования амплитудных характеристик спиральной ЛБВ с высоким КПД электроники / П.Д. Шалаев, Д.Л. Симонов // Электронная и вакуумная техника: Приборы и устройства. Технология. Материалы: материалы науч.-техн. конф., Саратов, ОАО «НПП «Контакт», 24-25 сентября 2009 г. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2009. Вып. 3. С. 24-32.

65. Кац A.M., Сигнал в лампах с бегущей волной / Кац A.M., Кудряшов В.П., Трубецков Д.И. //Ч. 1. Лампа с бегущей волной О-типа. Саратов: Изд-во СГУ, 1964. С. 143.

66. Шалаев П. Д. Результаты экспериментальных исследований амплитудной и фазовой модуляции в двухчастотном режиме работы спиральной ЛБВ с высоким электронным КПД / П.Д. Шалаев, Д.Л. Симонов // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2010. №3 (48). С. 99105.

67. Шалаев П. Д. Результаты экспериментальных исследований спиральной ЛБВ с высоким электронным КПД в двухчастотном режиме работы / П.Д. Шалаев, Д.Л. Симонов // Актуальные проблемы электронного приборостроения. АПЭП-2010: сб. науч. тр. 9-я Междунар. науч.-техн. конф. Саратов, 22-23 сентября 2010 г. Саратов: СГТУ, 2010. С. 157-162.

68. Шалаев П. Д. Высокоэффективный малогабаритный усилитель сантиметрового диапазона длин волн / Д.Д. Милютин, A.M. Стрельцов, П.Д. Шалаев // Радиотехника. 2002. № 2. С. 53-56.

69. Шалаев П. Д. Малогабаритный усилитель СВЧ-мощности Х-диапазона частот с большим КПД и повышенной линейностью характеристик / Д.Д. Милютин, A.M. Стрельцов, П.Д. Шалаев // Электронные приборы и устройства нового поколения: материалы науч.-техн. конф., 14-15 февраля 2002 г. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2002. С. 52-53.