книги / СВЧ-энергетика. Применение энергии сверхвысоких частот в медицине, науке и технике

шевы и удовлетворяют другим специальным требованиям. Системы в этом случае можно собирать, как из строитель­ ных кубиков. Однако в процессе конструирования вы­ ходных ламп следует как можно раньше учитывать тре­ бования полной совместимости компонентов, чтобы можно было использовать преимущества фазированной антен­ ной решетки. Разработчику электровакуумного прибора уже на начальной стадии проектирования должна быть предоставлена возможность хорошо познакомиться с каж­ дым конкретным применением будущего прибора, так чтобы он мог тщательно продумать конструкцию с точки зрения удовлетворения специальных требований. Чтобы достичь требуемой компактности, надежности, технологич­ ности и низкой стоимости, разработчики стремятся обычно собирать в виде интегральных модулей все компоненты каждого элемента или группы элементов решетки. Такой подход применим к радиолокаторам любых размеров, на­ чиная от РЛС, у которых выходные мощности измеряются единицами ватт на элемент антенны и в которых исполь­ зуются действительно микроминиатюрные интегральные схемы СВЧ, и кончая установками, мощность которых достигает сотен киловатт на элемент антенны. Число эле­ ментов антенны может лежать в пределах от единиц до 10 000 (ширина диаграммы ^ Г ) и более, если нужно по­ лучить еще более узкие диаграммы. В таких условиях создание интересующей нас подсистемы, будь то элек­ тровакуумный или полупроводниковый прибор, преобра­ зующий энергию постоянного тока в СВЧ-энергию, пред­ ставляет собой весьма сложную инженерную задачу и

тет пристального внимания.

апути решения этой задачи существует ряд общих системных ограничений. Ниже мы обсудим эти ограниче­

ния на примере импульсного радиолокатора с фазирован­ ной антенной решеткой и наиболее типичного случая, когда выходным прибором передатчика служит мощный усилитель. По сравнению с мощным автогенераторным прибором усилитель лучше удовлетворяет требованиям современных радиолокаторов, для которых важны коге­ рентность колебаний от импульса к импульсу, широкополосность и возможность работы во многих режимах с различными длительностью импульсов и формой сигнала.

II. Критерии конструирования мощных усилительных приборов

для фазированных антенных решеток

Чтобы исключить побочные максимумы из рабочего сектора антенны и упростить расчеты при обработке сиг­ налов, элементы (ячейки) антенной решетки РЛС часто располагают так, что они образуют плоскую прямолиней­ ную сетку или другие простые геометрические фигуры. Расстояние между элементами делают одинаковым и рав­ ным приблизительно А/2. Чтобы не было «расширения»1, затрудняющего замену модулей, поперечный размер вы­ ходных усилителей передатчика и относящихся к ним компонентов (в конструкции с использованием отдельного усилителя для каждого элемента решетки) не должен превышать -— /2. Типичное верхнее ограничение выход­ ной импульсной мощности, приходящейся на один эле­ мент фазированной решетки сантиметрового диапазона, по-видимому, характеризуется величиной от одной до нескольких сотен киловатт. При давлениях, существую­ щих на уровне моря, эта величина намного меньше но­ минальной допустимой мощности волноводов или порого­ вой мощности пробоя антенны. Так, например, в 5-санти­ метровом диапазоне пороговая мощность пробоя может составлять 3 Мет в импульсе или даже выше [31; это со­ ответствует напряженности поля ВЧ-пробоя в воздухе около 22,8 кв/см [4]. Для усилителей, используемых по одному' на каждый элемент решетки, на частотах деци­ метрового диапазона пока еще не достигнута мощность 100 кет при размерах, исключающих «расширение». Напротив, в варианте с использованием одного усилите­ ля для питания группы элементов решетки путем тща­ тельной интеграции элементов конструкции и, если нуж­ но, путем размещения параллельно действующих усили­ телей тандемом и образования глубоких модулей должна существовать возможность сделать размеры субрешетки

1 Термин «расширение» (Гапои!) означает любое увеличение по­ перечных размеров пространства, занятого компонентами модулей позади антенны. При этом имеется в виду, что указанные размеры возрастают по мере удаления от плоскости решетки.

такими, чтобы во всем СВЧ-диапазоне фронтальный раз­ мер усилителей не превышал соответствующего размера апертуры и чтобы тем самым исключалось «расширение». Важным фактором, который необходимо учитывать при конструировании решеток этого варианта, является то, что фазовый сдвиг для управления диаграммой вводится после оконечного усиления и деления мощности между элементами. Поэтому допустимая мощность на один эле­ мент решетки в данном варианте ограничивается возмож­ ностями быстродействующих ферритовых фазовращате­ лей, предельная мощность которых в настоящее время со­ ставляет г-ЛОО кет. Если ширина полосы частот сигна­ лов равна, например, 10%, то ширина апертуры группы элементов решетки, вероятно, не должна превышать 7А, (на сторону), чтобы избежать искажений ВЧ-сигнала, т. е. «размазывания» импульса, обусловленного тем, что при максимальных углах сканирования время формиро­ вания антенного луча оказывается больше длительности импульса. Независимо от других факторов это обстоя­ тельство ограничивает допустимую мощность группы эле­ ментов решетки в предельном случае величиной около 20 Мет в импульсе (например, решетка, состоящая из 14 х 14 элементов по 100 кет, с расстоянием между элементами Х/2).

Высокая стоимость и сложность мощных электрова­ куумных приборов, их источников питания, систем охлаж­ дения и управления на практике будут снижать приве­ денные выше ориентировочные пределы. Так, например, между электродами внутри электровакуумных приборов могут возникать опасные градиенты, если напряжения питания повышаются до 50— 100 кв [5]. При таких высо­ ких напряжениях и соответствующих входных мощностях могут оказаться необходимыми большие изоляторы, мас­ ляная изоляция, экранирование от рентгеновского излу­ чения, большие магниты и предельно интенсивное охлаж­ дение как для самого электровакуумного прибора, так и для его модулятора и источника питания. Работа при та­ ких высоких напряжениях нежелательна, и подобных режимов следует избегать в РЛС с фазированной антен­ ной решеткой, даже если они экономически оправдывают себя. В дополнение к проблемам, связанным с электриче­

ским пробоем, отметим, что мощные модуляторы также могут оказаться не в состоянии обеспечить быстрое время нарастания импульса, которое существенно для получе­ ния близко расположенных периодических последователь­ ностей коротких импульсов или других сложных импульс­ ных последовательностей. В предельном случае, напри­ мер при обнаружении внеземных объектов, коэффициент заполнения передатчика может лежать в пределах 0,005— 0,02, что в сочетании с уже упоминавшимися высокими импульсными мощностями потребует весьма интенсивного охлаждения и еще больше осложнит ситуацию. Проблема охлаждения становится острее, если электровакуумный прибор обладает низким к. п. д.

Чтобы избежать перечисленных здесь неприятностей, связанных с высокими уровнями энергии, рабочие напря­ жения приборов для фазированных антенных решеток никогда не следует поднимать выше 100 кв; предпочти­ тельнее, чтобы они были ниже 50 /се. Это означает, что применительно к таким решеткам максимальную величи­ ну мощности одной лампы, приемлемую в практическом и экономическом отношении, можно считать ориентировоч­ но равной 2—5 Мвпг в зависимости от первеанса пучка и типа прибора. Таким образом, чтобы реализовать мо­ дульный принцип построения системы из субрешеток, выходной усилитель с шириной полосы 10% и выходной мощностью 2—5 Мвпг нужно заключить вместе с фокуси­ рующей и охлаждающей системами в блок, фронтальная поверхность которого не должна превышать размеров квадрата со стороной 7%. Точное предельное значение будет зависеть от того, какое пространство занимают на лицевой поверхности решетки конструктивные детали.

Существует тенденция к усложнению механических конструкций, расположенных сзади решетки, что также повышает стоимость системы (разд. 5.3.3). Среди такого рода осложняющих факторов отметим чрезвычайно вы­ сокие требования к системе жидкостного охлаждения. Эти требования несколько снижаются в случае использо­ вания электровакуумных приборов с высоким к. п. д. Другим фактором является требование исключить пото­ ки рассеяния магнитной системы, которые не только вы­ зывают потери энергии, но и могут вредно влиять на фо­

кусировку соседних приборов. Использование постоян­ ных магнитов или электростатической фокусировки поз­ воляет избежать некоторых трудностей, вызываемых пото­ ками рассеяния.

Как будет показано далее [6], ширина полосы системы и, следовательно, усилителя (при условии, что полоса усилителя не ограничивает полосу системы) приближенно равна ширине основного максимума излучаемого спектра частот, определяемой по уровню половинной мощности. Аналитически это соотношение записывается в виде

где А/ — ширина спектра излучаемых частот, выражен­ ная в мегагерцах, а х — длительность импульса в микро­ секундах. Для большинства радиолокаторов СВЧ-диапазо- на, по-видимому, достаточна мгновенная ширина полосы выходной лампы передатчика, составляющая по уровню

— 1 дб 10% относительно рабочей частоты и в исключи­ тельных случаях 20% .

Для мощных усилительных приборов, используемых в фазированной антенной решетке, особое значение имеет фазовая стабильность, так как тонкое управление диаграм­ мой антенны производится обычно сдвигом фазы. Вслед­ ствие взаимной близости большого числа когерентно возбуждаемых элементов антенны между элементами су­ ществуют нормальные связи, которые вызывают измене­ ние импеданса с углом сканирования и рассогласование, способное ухудшить эффективность возбуждения усилите­ ля и привести к неустойчивой работе лампы.

Помимо этого необходимо, чтобы флуктуации фазовых характеристик усилителя оставались малыми в течение всего срока службы и линейно зависели от таких пара­ метров, как рабочее напряжение, уровень входного ВЧсигнала и температура. Для управления диаграммой ан­ тенны важно также, чтобы фазовые характеристики всех выходных усилителей решетки были одинаковыми. Так, в больших системах может потребоваться точное и одно­ временное включение многих'усилителей. Чтобы получить достоверные результаты по согласованности фазовых ха­

рактеристик усилителей, нужно провести обширные ста­ тистические испытания большого числа ламп. Разра­ ботчик системы сумеет скомпенсировать систематические фазовые отклонения, но случайные изменения фазы не должны выходить за пределы нескольких градусов.

Весьма вероятно, что наиболее важным достижением в области ламп, которое позволит снизить стоимость и увеличить выпуск приборов для фазированных антенных решеток большой мощности, является создание усилителя М-типа с холодным вторичиоэмиссиопиым катодом в про­ странстве взаимодействия. Лампа (и, в частности, возни­ кновение электронного потока) целиком управляется входным ВЧ-сигналом, который вследствие обратной электронной бомбардировки, типичной для процессов взаимодействия в скрещенных полях, вызывает появление вторичноэлектронной эмиссии. При этом для питания ламп не требуется подавать импульсы высокого напряже­ ния, синхронные с входными ВЧ-импульсами, а доста­ точно лишь подключить постоянное высокое напряжение. Таким образом, в случае линейной конструкции усилите­ ля М-типа модулятор можно полностью исключить, а в случае использования усилителей с замкнутым электрон­ ным потоком — значительно упростить модулятор, при­ менив маломощный управляющий электрод для отсечки лампы в конце каждого импульса. Сравнительные преиму­ щества и недостатки таких приборов обсуждались в гл. 2, т. 1.

III.Сравнение электровакуумных приборов

Всвете перечисленных выше ограничений мы дадим теперь краткую сравнительную характеристику трех основных типов мощных усилителей СВЧ, которые могут применяться в фазированных антенных решетках пере­ датчиков большой мощности. Это усилители с отрица­ тельной сеткой, с линейным электронным пучком и уси­ лители со скрещенными полями. Подробные сведения об

этих приборах содержатся в гл. 2, т. 1.

А. Усилители с отрицательной сеткой. Основные пре­ имущества этой группы приборов — хорошая фазовая стабильность, высокий к. п. д;, низкое рабочее напряже­

ние, легкость осуществления импульсной модуляции (воз­ можна работа в классе В) и разумные пределы по цене и размерам. Их недостатки — ограниченное произведе­ ние коэффициента усиления на ширину полосы и ограни­ ченный диапазон частот (максимально—дециметровый диапазон).

Б. Усилители линейного типа. Эти приборы обладают большим усилением при высоких уровнях мощности и выпускаются на частоты от дециметрового до 3-сантиме­ трового диапазона включительно. Клистроны, в част­ ности, весьма стабильны и работают в режиме насыщения в широких пределах, однако их ширина полосы ограниче­ на. Лампы бегущей волны выделяются своей широкополосностыо, особенно при средних уровнях мощности, и имеют высокую однородность фазовых характеристик от лампы к лампе. К числу недостатков обычных усилителей линейного типа относятся низкий к. п. д., высокая стои­ мость, наличие рентгеновского излучения, высокая фазо­ вая чувствительность, большой вес и размеры и высокое рабочее напряжение. Твистрон, представляющий собой гибридный прибор с клистронной входной секцией и ЛБВ в качестве выходной секции, имеет ширину полосы около 10% и увеличенный по сравнению с клистроном к. п. д. при тех же уровнях мощности. Многолучевые клистроны бегущей волны в принципе способны генери­ ровать большую мощность при ширине полосы 10—20%, высоком к. п. д. и высоком усилении и вместе с тем при низком анодном напряжении. В этих приборах резонанс­ ное взаимодействие сочетается с распределенным, и кон­ струкция их очень сложна. Возможно, что эти приборы не удастся применить в модульных системах, а попытки производства их в больших количествах встретят серьез­ ные трудности. Один из потенциальных вариантов состоит в том, чтобы использовать несколько фазокогерентных выводов энергии сверхмощного широкополосного много­ лучевого клистрона для питания нескольких групп эле­ ментов антенной решетки. Клистроны с электростатиче­ ской фокусировкой отличаются своей компактностью и малым весом, но в настоящее время имеют полосу всего 5% и импульсную мощность 1 Мет (в диапазоне 10 см). Если эти ограничения удастся преодолеть, такие приборы

станут серьезными претендентами на применение в фа­ зированных антенных решетках, особенно при создании модулей с отдельным усилителем для каждого элемента.

В. Усилители со скрещенными полями. Ожидаемая низкая фазовая чувствительность, пока еще недостаточно подтвержденная испытаниями, широкая полоса, высо­ кий к. п. д. и возможность работы с холодным катодом при использовании простого модулятора или совсем без него делают усилители прямой волны со скрещенными полями потенциально весьма привлекательными прибо­ рами для фазированных антенных решеток. Среди дру­ гих достоинств этих приборов — повышенная ме­ ханическая прочность, низкое рабочее напряжение, малое отношение веса к мощности, постоянные магниты и пре­ небрежимо малое рентгеновское излучение. Недостатка­ ми их являются относительно малое усиление, ограниче­ ние величины эмиссии, которую можно получить с холод­ ных катодов в режиме с большой средней мощностью, чувствительность выходной мощности к флуктуациям рабочего напряжения и некоторые тенденции*к нестабиль­ ности ВЧ-режима.

IV. Перспективы развития

Использование фазированных антенных решеток в радиолокаторах большой мощности создает потенциальные возможности для резкого повышения универсальности РЛС и увеличения скорости обработки данных. Реали­ зация этих возможностей в будущем зависит от развития техники мощных СВЧ-усилителей. Поэтому такие усилители должны проходить тщательную инженерную разработку с упором как на механические, так и на электрические характеристики. К числу наиболее перспективных при­ боров следует отнести такие приборы, как усилители со скрещенными полями и холодным катодом, которые позво­ ляют снизить требования, предъявляемые к системам питания, модуляции1 и охлаждения. Однако для широ­

1 Необходимо, однако, иметь надежную систему защиты при­ бора и источника питания на случай непрекращения тока в усилите­ ле после окончания входного ВЧ-импульса или на случай возникно­ вения искрений и ВЧ-пробоев в приборе,— Прим, ред.

кого использования стоимость этих приборов должна по­ низиться, а их технологичность — повыситься. Сущест­ вует тенденция к полной интеграции выходных цепей и компонентов передатчика в легко заменяемые блоки. Вполне возможно, что потребности конструкторов фазиро­ ванных антенных решеток в усилителях мощностью до 10 кет будут впоследствии удовлетворены полупроводни­ ковыми приборами, которые выгодно отличаются своей технологичностью, но мощность которых пока что огра­ ничена [7].

НА ГРУП П У ЭЛЕМЕНТОВ АНТЕННЬЬ С ВАРИАНТОМ «ОТДЕЛЬНЫЙ УСИ ЛИ ТЕЛЬ НА КАЖ ДЫ Й

ЭЛЕМ ЕН Т АНТЕННЬЬ

Ту м э й

I. Введение

Входе проектирования РЛС с фазированными антен­ ными решетками, которые должны были удовлетворять современным требованиям непрерывного обзора и слеже-

Ш 1я за многими целями, между сторонниками вариантов «отдельный усилитель на каждый элемент антенны» и «усилитель на группу элементов» возникла конкуренция. Можно предполагать, что высокая стоимость первых РЛС типа ЭСАР и МАР (вариант «отдельный усилитель на каждый элемент антенны») для защиты от баллисти­ ческих ракет привела к поискам более экономичных ре­ шений, примером которых могут служить системы ХЭПДАР и МСР (вариант «усилитель на группу элемен­ тов»)1.

Теоретические расчеты и эксперименты на лаборатор­ ных моделях антенн обоих вариантов проводились мно­ гими исследователями. В работах лаборатории Линкольна [1, 2] и в других работах было показано, что каждый из вариантов антенн позволяет удовлетворить основным тре­ бованиям. Однако остался невыясненным вопрос о срав­ нительной стоимости (с учетом эффективности) антенн обоих вариантов, т. е. вопрос о их стоимости с учетом длительного срока эксплуатации. Под эффективностью здесь понимается один из основных технических пара­ метров системы. Рассмотрению именно этого вопроса по­ священ данный раздел.

II. Стоимостные соотношения

На фиг. 1 приведены структурные блок-схемы антен­ ных решеток обоих вариантов. Не изображенные на схе­ ме части решеток могут быть практически идентичными

1 ЭСАР (ЕЗАР — Е1ес1готса11у Зсаппеё Аггау Рас!аг) — РЛС с электронным сканированием, построенная фирмой Вепёкз Раёю Согр. по заказу Управления планирования научно-исследователь­ ских работ.

МАР (МАР — Ми1ШипсНоп Аггау Раёаг) — РЛС с многофунк­ циональной антенной системой, построенная фирмой 5у1уаша Е1ес1гошс5 по заказу фирмы ВеП Те1ерЬопе ЬаЬз. и Армии США.

ХЭПДАР (НАРЭАР — Нагёрот! Оетоп5*гаПоп Аггау Раёаг) •— экспериментальная РЛС с многоэлементиой антенной (для подземных стартовых позиций противоракет «Ннка-Х».— Перев.), построенная фирмой Зреггу Оугозсоре Со. по заказу Управления планирования научно-исследовательских работ.

МСР (М5Р — М1$5Пе 5Ие Раёаг) — РЛС стартовой позиции, построенная фирмой «Рейтеон» по заказу фирмы ВеП Те1ерИопе ЬаЬз. и Армии США.