CC BY
83
УДК 621.385.632
В.В. Доперальский, Б.К. Сивяков
АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ ПРИЧИН НЕИДЕНТИЧНОСТИ ХАРАКТЕРИСТИК
АМПЛИТУДНЫХ ШЛЕЙФНЫХ КОРРЕКТОРОВ НА КОАКСИАЛЬНОЙ И МИКРОПОЛОСКОВОЙ ЛИНИИ ДЛЯ ШИРОКОПОЛОСНЫХ ЛБВ
Приводятся результаты анализа основных причин неидентичности амплитудных шлейфных корректоров на коаксиальной и микрополосковой линиях для широкополосных ЛБВ.
Амплитудный корректор, ЛБВ, усилитель СВЧ, допуска
V.V. Doperalski, B.K. Sivyakov
THE ANALYSIS OF PRINCIPAL CAUSES OF NOT IDENTITY OF CHARACTERISTICS OF THE LOOP ATTENUATING EQUALIZERS BASED ON THE COAXIAL AND MICROSTRIP LINE FOR BROADBAND TWT
In the article the results of the analysis of principal causes of not identity of characteristics of the loop attenuating equalizers based on the coaxial and microstrip line for broadband TWT.
Attenuating equalizer, TWT, microwave amplifier, tolerances
Амплитудный корректор применяется для выравнивания коэффициента усиления и расширения рабочего диапазона частот спиральных ЛБВ. Существуют различные возможности реализации требуемых характеристик такого устройства [1,2], однако к настоящему времени наибольшее распространение в разработках ФГУП «НПП «Алмаз» получила шлейфная конструкция корректора. Это объясняется как относительной простотой реализации, так и возможностью достаточно точно рассчитывать характеристики, применяя методы теории СВЧ цепей.
Применение усилителей на основе ЛБВ в различных радиотехнических системах выдвигает требование к фазоидентичности усилителей [3,4]. В зависимости от уровня входной мощности, наличия твердотельного предварительного усилителя в цепи ЛБВ - корректор и других факторов выбирается конструкция корректора. Конструкция на коаксиальных линиях передачи обладает возможностью подстройки величины ослабления по всей полосе частот. Подстройка величины ослабления зачастую является обязательной частью технологического цикла потому, что амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) ЛБВ из-за допусков в элементах замедляющей системы (ЗС) имеют заметный разброс от прибора к прибору. В то же
113
время для получения фазоидентичных характеристик усилителя необходима идентичность характеристик корректоров. Оценка чувствительности АЧХ и ФЧХ корректора к настройке корректора на коаксиальной линии передачи была проведена в [5]. Существует другое конструктивное исполнение корректора - на микрополосковой линии передачи. Это исполнение не обладает возможностью настройки, но более технологично и имеет меньшие габариты и лучшую повторяемость характеристик.
Однако в обоих случаях имеется еще одна причина неидентичности характеристик корректора - производственные допуска в элементах корректора. Как видно по рис. 1, даже ненастраиваемая микрополосковая конструкция может иметь большие разности АЧХ и ФЧХ до 2 дБ и 28° из-за производственных допусков, недопустимых в ряде случаев.
2.5 2
1.5 1
ДЦдБ 0,5
0
-0,5 -1 -1,5
Рис. 1. Измеренная разность АЧХ и ФЧХ двух амплитудных корректоров на микрополосковой линии передачи относительно третьего
Так как избавиться от производственных допусков или сделать их еще меньшими технологически невозможно, необходимо уменьшать чувствительность каждой конкретной конструкции к допускам. Для этого необходимо знать чувствительность АЧХ и ФЧХ корректора к допускам на различные его элементы. Это было выполнено в [6].
Настоящая работа посвящена анализу основных причин неидентичности АЧХ и ФЧХ амплитудных шлейфных корректоров на коаксиальной и микрополосковой линиях.
Конструкция шлейфного корректора представляет собой волновую линию передачи с последовательностью присоединенных через резистивную нагрузку нескольких короткозамкнутых или разомкнутых параллельных шлейфов. Короткозамкнутый или разомкнутый вариант выбирается из соображений простоты технологической реализации. В конструкции на коаксиальной линии обычно используется короткозамкнутый вариант, а на микрополосковой - разомкнутый. Корректор рассматривается как последовательность каскадно-соединенных четырехполюсников. Эквивалентная схема одного из четырехполюсников показана на рис. 2.
Рис. 2. Эквивалентная схема одной секции корректора
Четырехполюсник представляет собой линию передачи с присоединенным параллельным шлейфом. Расстояние между шлейфами обычно выбирается равным Ле., где х - длина
4 СР
волны в середине рабочего диапазона частот прибора. Шлейф состоит из отрезка линии передачи с р і , Іі (волновое сопротивление и длина соответственно), последовательно нагруженной на активное сопротивление Я и на реактивное хф. Для получения нужной характеристики затухания корректора реактивное сопротивление шлейфа должно иметь определенную зависимость от частоты. Необходимую зависимость реализуют ступенчатой структурой изменения волнового сопротивления вдоль длины шлейфа. От соотношения волновых сопротивлений ступеней зависит рабочая полоса корректора.
Используя методы теории СВЧ цепей, получим характеристики ослабления, КСВн и фазы всего устройства целиком [7].
Рис. 3. Реализация коаксиальной конструкции корректора
Параллельный шлейф в коаксиальной конструкции (рис. 3) реализуется в виде многоступенчатого плунжера 3, помещенного в отверстие скобы 4. Плунжер является внутренним проводником линии, и из-за разного диаметра каждая ступенька линии имеет разное волновое сопротивление. Внешним проводником является скоба 4. Активные потери в линию вносит поглощающая втулка 5 . На конце плунжер замыкается со скобой цангой 6, что позволяет перемещать плунжер, сохраняя контакт со скобой. Для подстройки зависимости ослабления от частоты скобу 4 и плунжер 5 перемещают, тем самым меняя и длину линии 1;. Плунжер является параллельным шлейфом для линии передачи, в которой стержень 2 является внутренним проводником, а корпус корректора 1 - внешним.
Конструкция на микрополосковой линии передачи реализуется в виде микрополоско-вой платы. Резистивная нагрузка конструктивно реализуется в виде полоска с определенным удельным сопротивлением напыления.
Для анализа чувствительности АЧХ и ФЧХ амплитудных шлейфных корректоров на коаксиальной линии передачи к настройке были сконструированы различные корректоры с близкими характеристиками [5]. Были рассчитаны характеристики корректора при различной настройке. Относительно положения с нулевыми допусками были рассчитаны разности АЧХ и ФЧХ.
В результате было получено следующее: при настройке корректора с количеством плунжеров более двух большее влияние на расхождение характеристик корректора при одинаковой расстройке относительно положения с опущенными плунжерами оказывают средние плунжеры, чем крайние.
Так как при конструировании корректора для реальной ЛБВ для возможности более широкой настройки характеристик корректора обычно выбирается конструкция корректора с более широкой полосой частот, чем рабочая полоса усилителя. В результате расчетов получено, что с расширением рабочей полосы корректора (например, с октавы до полутора октав) чувствительность к настройке возрастает и идентичность ухудшаются.
Корректор с одинаковыми характеристиками можно получить с различным количеством плунжеров. Как показало исследование, с увеличением количества плунжеров чув-
ствительность к настройке уменьшается и идентичность улучшается, то есть наиболее выгоден вариант с большим количеством шлейфов.
Для анализа чувствительности АЧХ и ФЧХ амплитудных шлейфных корректоров на коаксиальной линии передачи к допускам были сконструированы различные корректора с близкими характеристиками [6]. Были рассчитаны характеристики корректора при допусках на разные элементы. Относительно положения с нулевыми допусками были рассчитаны разности АЧХ и ФЧХ.
Рис.4. Разность АЧХ и ФЧХ при наложении 1% допусков на различные размеры отрезков линий передачи корректора на коаксиальной линии передачи, для корректора с октавной рабочей полосой
частот
Наибольшая разность АЧХ и ФЧХ получается при наложении допусков на продольные и поперечные размеры, причем наибольшее влияние на разность характеристик оказывают допуски на поперечные размеры (в частности, на ширину центральных проводников отрезков коаксиальных линий передачи), чем на продольные размеры.
Конструкция на микрополосковых линиях передачи имеет некоторые конструктивные отличия: параллельный шлейф разомкнут, резистивная нагрузка конструктивно реализуется в виде полоска с определенным удельным сопротивлением напыления, а не поглощающей ферроэпоксидной вставкой, и микрополосковая линия асимметрична в отличие от коаксиальной.
Наибольшая разность АЧХ и ФЧХ для конструкции на микрополосковой линии передачи получается при наложении допусков на продольные и поперечные размеры, причем наибольшее влияние на разность характеристик оказывают допуски на продольные размеры (в частности, на ширину центральных проводников отрезков коаксиальных линий передачи), чем на поперечные размеры (в отличие от конструкции на коаксиальной линий передачи). При расширении рабочей полосы частот корректора микрополосковой линий передачи до полутора октав происходит незначительное, менее 2%, уменьшение разности АЧХ и ФЧХ корректора.
Реальные производственные допуски имеют абсолютные значения, а не относительные, и для конструкций с более высокочастотным диапазоном разность будет увеличиваться. Но в силу свойств микрополосковой линии - наличие краевого эффекта, дисперсионная зависимость, изменение разности характеристик непропорционально увеличению частоты. Было показано, что корректоры на микрополосковой линии передачи при одинаковой ширине рабочей полосы частот, но с разными диапазонами, имеют разную разность АЧХ и ФЧХ при наложении реальных производственных допусков на размеры отрезков линий передачи. При увеличении частотного диапазона в 2 раза, но сохранении ширины рабочей полосы частот конструкции разность характеристик увеличивается более чем в 2 раза, что объясняется свойствами микрополосковой линии.
В конструкции на микрополосковой линии передачи резистивная нагрузка конструктивно реализуется в виде полоска с определенным удельным сопротивлением напыления, таким образом, от допусков на размеры этого напыления зависят разности АЧХ и ФЧХ корректора относительно номинальных размеров. Однако технически возможно наложение допусков на номинальное значение вносимого активного сопротивления. Для сравнения разности АЧХ и ФЧХ корректора при наложении допусков были произведены расчеты обоих вариантов. Получено, что для уменьшения разности характеристик корректора лучше накладывать допуски по номинальному значению вносимого активного сопротивления, а не на размеры резистивного напыления, что дает выигрыш в идентичности АЧХ и ФЧХ не менее чем в 2 раза.
Заключение
В данной работе был проведен анализ основных причин неидентичности АЧХ и ФЧХ амплитудных шлейфных корректоров на коаксиальной и микрополосковой линиях для широкополосных ЛБВ.
• Установлено, что при настройке корректора большее влияние на расхождение характеристик оказывают центральные плунжеры.
• При расширении полосы частот с октавы до полутора октав в коаксиальной конструкции наблюдается ухудшение идентичности характеристик при одинаковой расстройке, по сравнению с октавной конструкцией.
• С увеличением количества плунжеров чувствительность к настройке уменьшается и идентичность улучшается.
• Установлено различное влияние допусков на поперечные и продольные размеры на идентичность характеристик корректора в коаксиальном и микрополосковом исполнении. В коаксиальной конструкции наибольшее влияние оказывают допуски на поперечные размеры, а в микрополосковой - на продольные.
• При расширении полосы частот с октавы до полутора октав в микрополосковой конструкции наблюдается незначительное улучшение идентичности характеристик по сравнению с коаксиальной конструкцией.
• При увеличении рабочих частот с сохранением ширины полосы при абсолютных производственных допусках в микрополосковой конструкции наблюдается непропорциональное увеличению частоты ухудшение идентичности характеристик, в отличие от коаксиальной конструкции.
• Выявлено, что наиболее благоприятные результаты получаются при наложении допусков на номинальное значение вносимого активного сопротивления резистивным напылением в микрополосковой конструкции в отличие от наложения допусков на геометрические размеры резистивного напыления.
Полученные результаты могут быть использованы при конструировании корректоров для вновь разрабатываемых ЛБВ, к которым со стороны разработчиков радиоаппаратуры выдвигаются новые и все более сложные требования по идентичности характеристик.
ЛИТЕРАТУРА
1. Корректоры амплитудных и частотных характеристик СВЧ электровакуумных приборов II Обзоры по электронной технике. Сер. I. Электроника СВЧ. Вып. 8(1549) I Н. Малютин,
A.Ф. Копылов, С.,В. Мухин, А.Р. Попов, В.И. Ризуненко, В.А. Солнцев, Б.Г. Сорокин,
B.В. Степанчук. М.: ЦНИИ «Электроника», 1990.
2. Искажения и коррекция сигналов в электронных приборах СВЧ: межвуз. науч. сб. I ред. кол. проф. Д.М. Петров, проф. В.А. Солнцев, инж. В.В. Степанчук. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1988.
3. Данилов А.Б., Нудельман Я.Е., Рафалович А.Д. Разработка амплитудно- и фазоидентичных ламп бегущей волны II Радиотехника. 2002. №2. С 41-47.
4. Беляева Ю.А., Данилов А.Б., Рафалович А.Д. Вопросы получения фазоидентичных широкополосных СВЧ-усилителей II Электронные приборы и устройства СВЧ: материалы
науч.-техн. конф., посвященной 50-летию ФГУП «НПП «Алмаз», 28-30 августа 2007 г. Саратов, 2007. С. 60-65.
5. Сивяков Б.К., Доперальский В.В. Анализ чувствительности к настройке амплитудных шлейфных корректоров на коаксиальной линии для широкополосных ЛБВ // Техническая электродинамика и электроника: сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2009. С. 43-49.
6. Доперальский В.В., Сивяков Б.К. Анализ чувствительности к допускам характеристик амплитудных шлейфных корректоров на коаксиальной и микрополосковой линии для широкополосных ЛБВ // Актуальные проблемы электронного приборостроения: материалы Междунар. науч.-техн. конф., 22-23 сентября 2010 г. Саратов, 2010. С. 170-175.
7. Сивяков Б.К., Доперальский В.В., Данилов А.Б. Проектирование амплитудных корректоров для широкополосных усилителей с учетом характеристик ЛБВ // Вестник СГТУ. 2011. № 1. С. 176-182.
BIBLIOGRAPHY
1. Proofreaders amplitude and frequency characteristics of microwave electron devices / N. Malyutin, A.F. Kopylov, S.V. Mukhin, A.R Popov, V.I. Rizunenko, V.A Solntsev, B.G. Sorokin,
В.В. Stepanchuk // Reviews on Electronic Technology. Series I. Microwave Electronics. Issue 8. (1549). M.: CSRI «Electronics», 1990.
2. Distortion correction and signal processing electronics in the microwave: Interuniversity Research Collection / ed. Prof. board. D.M. Petrov, prof. V.A. Solntsev engineer V.V. Stepanchuk. Publishers Saratov University, 1988.
3. Danilov A.B., Nudelman YA.E., Rafalovich A.D. Development of amplitude phase-identical and traveling wave tubes // Radio. 2002. № 2. P. 41-47.
4. Belyayeva Yu.A., Danilov A.B., Rafalovich A.D. Obtaining phase-identical broadband microwave - Amplifiers // Electronic devices and microwave devices: materials science.-tech. conf. on 50 years of FSUE «RPE» Almaz «, 28-30 August 2007. Saratov, 2007. P. 60-65.
5. Sivyakov B.K., Doperalski V.V. The analisis of the sensivity of characteristics to tunings of the loop attenuating equalizers based on the coaxial and microstrip line for broadband TWT.// Technical Electrodynamics and Electronics: collection of Scientific Papers. Publisher SSTU, Saratov, 2009. P. 43-49.
6. Doperalski V.V., Sivyakov B.K. The analisis of the sensivity of characteristics to tolerances of the loop attenuating equalizers based on the coaxial and microstrip line for broadband TWT // Actual problems of electronic devises engineering: proceedings Intern. science.-tech. conf., 2223 September 2010. Saratov, 2010. P. 170-175.
7. Sivyakov B.K., Doperalski V.V., Danilov A.B. The design of the attenuating equalizer for broadband amplifier with TWT’s characteristics // Vestnik Saratov State Technical University. 2011. № 1. P. 176-182/
Доперальский Владислав Владимирович -
аспирант кафедры «Электротехника и электроника» Саратовского государственного технического университета
Doperalski Vladislav Vladimirovich -
Post-Graduate Student of Department «Electrical Engineering and Electronics» of Saratov State Technical University
Сивяков Борис Константинович -
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Электротехника и электроника» Саратовского государственного технического университета
Sivyakov Boris Konstantinovich -
Doctor of Technical Sciences, professor, Head of Department «Electrical Engineering and Electronics» of Saratov State Technical University
