CC BY
5
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ЭЛЕКТРОНИКА
Научная статья УДК 621.396.96
doi: 10.61527/1684-7016-2023-4-56-61
Обеспечение качества функционирования блока усилителя мощности передающего устройства радиолокационных станций
Василий Олегович Кушнарёв1 Андрей Борисович Климовский2
Акционерное общество «Ульяновский механический завод», Ульяновск, Россия 2Ульяновский государственный технический университет, Ульяновск, Россия
[email protected] 2andrew@klimovsky. ru
Аннотация. Функционирование блока усилителя мощности в передающем устройстве радиолокационной станции в значительной степени зависит от качества работы применяемых в нём клистронов. Рассматриваются вопросы обеспечения эффективной работы блока путем решения двух задач. Необходимо проконтролировать стабильность параметров клистронов: напряжения и тока накала, токов управляющего электрода и катода и других. Эта задача решается применением контрольных карт. Для обеспечения работоспособности блока усилителя мощности необходимо уметь прогнозировать его характеристики по значениям параметров клистронов: в этом случае может быть использовано машинное обучение.
Ключевые слова: радиолокационные станции, клистроны.
INSTRUMENTATION AND ELECTRONICS Scientific article
Ensuring the quality of operation of the power amplifier unit of the transmitting device of radar stations
Vasiliy O. Kushnarev1 Andrew B. Klimovsky2
'Joint Stock Company «Ulyanovsk mechanical plant», Ulyanovsk, Russia 2Ulyanovsk State Technical University, Ulyanovsk, Russia
1 [email protected] [email protected]
Abstract. The functioning of the power amplifier unit in the transmitting device of a radar station largely depends on the quality of the klystrons used in it. The issues of ensuring efficient operation of the unit by solving two problems are considered. It is necessary to control the stability of klystron parameters: filament voltage and current, control electrode and cathode currents, and others. This problem is solved by using control charts. To ensure the operation of the power amplifier block, it is necessary to be able to predict its characteristics based on the values of the klystron parameters: in this case, machine learning can be used. Keywords: radar stations, klystrons.
© Кушнарёв В. О., Климовский А. Б., 2023
Постановка вопроса. Обеспечение эффективности работы средств воздушно-космической обороны в значительной степени определяется качеством функционирования радиолокационной аппаратуры, в том числе при использовании в аппаратуре электровакуумных приборов (клистронов), в частности, блока усилителя мощности в передающем устройстве радиолокационной станции (РЛС).
В большинстве отечественной техники, предназначенной для решения задач воздушно-космической обороны, применяются мощные электровакуумные приборы (клистроны) -устройства, служащие для преобразования, усиления, генерации электромагнитной энергии [1-7].
Для разработки электронных вакуумных приборов (ЭВП) в 1943 году был создан НИИ-160 (сейчас НПП «Исток»), который возглавил ведение разработок приборов СВЧ нашей страны. Первоначальные варианты клистронов были маломощны. Серьёзным шагом эволюции клистронов стало появление многолучевых клистронов (МЛК), которые появились в 60-70-х годах XX века. В конструкции данного типа изменилась масса и габариты прибора, его источника питания, а также значительно уменьшилось напряжение катода. Главное преимущество многолучевых клистронов - это расширение рабочей полосы диапазона частот,
Импульсные широкопо
оно обеспечено плотным размещением лучей и резонаторами, в которых несколько лучей взаимодействуют с полем одной полуволны электрического СВЧ поля. Когда в резонаторах увеличивается количество лучей,
характеристическое сопротивление уменьшается медленнее, чем сопротивление суммарного электронного потока, когда преодолевает зазор взаимодействия. С течением времени многие предприятия страны (город Москва - «Торий», город Саратов - «Контакт», город Санкт-Петербург - «Светлана» и др.) занимались производством МЛК с различным количеством резонаторов. Приблизительно в конце XX века набирает рост интерес к МЛК в других странах. Однако, изучив публикации открытого доступа заграничных изданий, мы видим, что характеристики и параметры МЛК РЛС иностранного исполнения в настоящее время по ряду параметров уступают приборам данного типа в РФ [3].
В качестве примера производимых в нашей стране клистронов рассмотрим изделия одного из основных производителей АО «НПП «Торий» [6]. Данное предприятие разрабатывает широкий спектр клистронов различного назначения и параметров. В таблице 1 приведены характеристики импульсных широкополосных клистронов.
Таблица 1
;ные многолучевые клистроны
Диапазон (длина волн, см) Ь (77-19) 8 (19-6) X (6-2.8) К (2.8-0.8)
Относительная ширина рабочей 6-16 5.4-7.1 4.8-6 0.1-1
полосы, %
Катодное напряжение, кВ 8-50 20-55 10-17 2-3
Суммарный первеанс, мкА/В3/2 7-18 6.4-18 10-22 3.6-5
Выходная импульсная мощность, кВт 10-4000 200-2000 20-240 0.2-1
Выходная средняя мощность, кВт 3-27 5-27 2-6 0.1-0.3
КПД % 25-45 25-40 20-40 20-35
Коэффициент усиления, дБ 30-45 35-55 35-45 30-35
Количество стволов, шт. 1 1 1-4 1
Количество лучей, шт. 30-37 6-30 19-28 18
магнитные магнитные постоянные постоянные
Способ фокусировки реверсивные фокусирующие системы реверсивные фокусирующие системы, магниты магнитные фокусирующие магниты магнитные фокусирующие
соленоид системы, магнитные реверсивные фокусирующие системы системы
Масса клистрона с фокусирующей 40-100 35-80, 15-35 0.4-1.5
системой, кг 260
Отечественные разработки мощных МЛК, функционирующих в сантиметровом и дециметровом диапазонах, имеющих уровень импульсной мощности 1 кВт - 30 МВт, применяются в различных системах вооружения в качестве выходного каскада усилительной цепочки. Импульсные усилительные клистроны используются в качестве конечных импульсных усилителей передающих устройств РЛС с мощностью в импульсе до 200 кВт, в системах сверхдальней локации от 200 кВт до 30 МВт, и в ускорителях заряженных частиц.
Мощные широкополосные МЛК широко применяются в выходном каскаде усиления передатчиков РЛС различного назначения. Для применения клистронов в современных РЛС предъявляется ряд требований по качеству и другим техническим характеристикам. Актуальным функционированием сегодняшних радиолокационных устройств является работа посылкой, которая состоит из множества коротких СВЧ импульсов, это увеличивает разрешающую способность по дальности и скорости при одном коротком облучении. Уменьшение питающих напряжений клистрона позволит добиться изменения масса-габаритных параметров источников питания, а, следовательно, и самого передатчика. Для достижения значения помехозащищённости станции в несколько единиц процентов от центральной частоты необходимо иметь широкую полосу рабочих частот клистрона. Необходимая выходная импульсная мощность равняется десяткам, сотням киловатт при уровне средней мощности не менее 10 кВт [3]. Обеспечение электрической прочности является одной из главных задач создания мощных широкополосных клистронов. Работа при больших длительностях импульса (до 1 миллисекунды) также является необходимым требованием к клистронам для мощных РЛС.
В ходе достаточно длительного периода разработок МЛК ведётся постоянная работа по улучшению качества производимых устройств. Приоритетной задачей ставится повышение такого комплексного свойства ЭВП СВЧ, как надёжность. Для создания высоконадёжных ЭВП СВЧ необходимы:
- разработка изделия, продуманная и проработанная досконально. При современном многомерном моделировании разработчик имеет практически неограниченные возможности в расчётах своего разрабатываемого продукта;
- технология производства, обеспечивающая заложенную надёжность конструкцией прибора. Обеспечение стабильности технологических процессов, управляемости, точности выполнения, высокого качества всего комплекса технологических операций;
- испытания изделия на всех этапах его жизненного цикла, от разработки до ввода в эксплуатацию [2].
В настоящее время решены проблемы обеспечения высокой долговечности, стабильного и высокого вакуума в приборах, вакуумной плотности оболочки, эффективной тренировки при изготовлении, устойчивости к высоковольтным пробоям (пробои при эксплуатации практически исключены).
Несмотря на достигнутые успехи в повышении качества ЭВП СВЧ, есть вопросы, требующие внимания.
Проверка качества электровакуумных приборов осуществляется на предприятиях-изготовителях в соответствии с техническими условиями, государственными стандартами. Предусматривается ряд различных испытаний, проверок и методов контроля качества, не всегда доступных для повторения в эксплуатирующей продукцию организации.
При эксплуатации клистронов в аппаратуре применения возникает ряд вопросов, связанных с качеством поставляемой продукции. Методов проверки качества посредством входного контроля недостаточно для полного определения надёжности поставляемой продукции ввиду её сложного устройства и протекающих процессов внутри клистрона во время длительной эксплуатации. Расширение параметров проверки характеристик клистронов при входном контроле требует серьёзных финансовых затрат, разворачивания испытательного центра входного контроля. В связи с этим при проверке поставляемой продукции целесообразным является разработка методики прогнозирования качества по средствам фиксации ряда электрических параметров, получаемых на различных производственных этапах настройки аппаратуры применения. Создание такой методики является актуальным направлением, так как во многом позволит определить качество и надёжность поставляемых устройств до выпуска продукции, тем самым определить стабильность работы изделия в целом.
Существующий подход к решению задач обеспечения качества на предприятиях радиоэлектронного комплекса в реальных
условиях оказывается неэффективным. Необходимо существенно расширить проведение работ по технологическому прогнозированию, аналитическим оценкам и т.п., что позволит повысить качество производства
радиопередающих систем. В будущем огромная роль в процессах проведения анализа и подготовки полного жизненного цикла изделия принадлежит САЬ8-технологиям и виртуальным производствам.
Для практического прогнозирования качества функционирования блока усилителя мощности с применением клистрона контролируются следующие параметры клистрона в составе блока усилителя мощности сигнала СВЧ: напряжение и ток накала, токи управляющего электрода и катода, потребляемая мощность, импульсный ток резонаторного блока, входная и выходная мощности. Для контроля стабильности параметров клистрона могут быть построены контрольные карты [8-9].
В блоке усилителя мощности сигнала могут контролироваться: входная мощность, подаваемая по каналам «О» (обзор) и «П» (подсвет); выходная импульсная мощность канала «О», в различных точках рабочего диапазона частот, в режимах КНИ (квази-непрерывного импульса) и ЛЧМ (линейно-частотной модуляции); выходная мощность канала «П» в непрерывном режиме, в различных точках рабочего диапазона частот; относительный уровень амплитудных шумов каналов «О» и «П» при отстройках от несущей частоты; параметры импульсов огибающей канала «О».
Учитывая характеристики клистронов при поставке потребителю, результаты измерения параметров клистронов при работе в составе блоков, параметры блоков при настройке и проверки работоспособности до установки в состав готового изделия могут быть спрогнозированы неисправности, которые могут возникнуть в процессе эксплуатации блоков.
Прогнозирование характеристик блока усилителя мощности сигнала по известным параметрам клистрона может быть проведено с использованием методов машинного обучения. Это задача построения регрессий. Наиболее эффективный метод решения этой задачи -использование нейронных сетей, однако для этого необходим большой объём данных. Учитывая, что в реальной ситуации имеется небольшой объём опытных данных, наиболее эффективно эта задача решается одним из трёх методов машинного обучения [10]: с помощью градиентного бустинга
деревьев решений, методом случайного леса, а также методом опорных векторов.
При использовании этих методов важно оценить гиперпараметры соответствующих моделей; эта задача, как правило, решается с применением кросс-валидации сеточным поиском или байесовским оцениванием.
Для прогнозирования выбирается метод, обеспечивший наилучшие показатели качества модели на тестовой выборке.
По этим же данным методами машинного обучения может быть решена и задача классификации возможных состояний изделия [10-11]: это может быть как бинарная (объект исправен или неисправен), так и мультиклассовая классификация: исправное состояние, прогноз ухудшения характеристик блока усилителя мощности, прогноз случайных срабатываний защит по току катода, управляющего электрода и ДР-
При этом могут быть использованы те же подходы, что и для построения регрессий: градиентный бустинг деревьев решений, случайный лес и метод опорных векторов с оптимизацией гиперпараметров.
Решение поставленных задач по обеспечению стабильности работы клистрона и прогнозированию характеристик блока усилителя мощности сигнала по известным параметрам клистрона обеспечит повышение эффективности работы средств воздушно-космической обороны за счёт улучшения качества функционирования радиолокационной аппаратуры.
СПИСОК источников
1. Борисов Л., Щелкунов Г. Мощные и сверхмощные СВЧ-источники: от клистронов до нового класса приборов // Электроника: наука, технологии, бизнес, 2012. №4 (00118). С. 102-106.
2. Бацев В. И. Проблема создания высоконадёжных ЭВП СВЧ // Электронная техника СССР. Электроника СВЧ. 1982.Вып.12(348). С. 39-43.
3. Юнаков А. Н. Исследование и разработка широкополосных многолучевых клистронов с выходной средней мощностью более 10 кВт и низковольтным управлением на пространственно-развитых резонаторах в средней части сантиметрового диапазона длин волн. Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук. Фрязино: АО «НПП «Исток». 2011С. 3-4.
4. Крючков В. Л. Обеспечение качества проектирования и производства твёрдотельных
усилителей мощности передатчиков РЛС на основе метода преобразований эвристических моделей. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва: ФГУП НЛП «Пульсар» 2011. С. 3-5.
5. Электровакуумные усилители СВЧ, выпускаемые АО «НЛП Исток» им. Шокина / А. А. Борисов, С. В. Щербаков, А. С. Котов, П. М. Мелешкевич, А. Д. Закурдаев, М. С. Востров, Е. В. Жарый, В. И. Пугнин, К. Г. Симонов, Б. В. Сазонов, Т. И. Полянская, Е. А. Стройков, А. Н. Юнаков, С.В. Евсеев. // Обмен опытом в области создания сверхширокополосных радиоэлектронных систем. Материалы VI общероссийской научно-технической конференции. Омск, 2016. С. 66-68.
6. Перспективы развития многолучевых клистронов / Фрейдович И. А., Балабанов А. К., Акимов П. И. и др. // Материалы III Всероссийской научно-технической конференция «Электроника и микроэлектроника СВЧ», Санкт-Петербург, 2014. С.25-27.
7. КалачевА. Д. Пути повышения комплекса выходных параметров миниатюрного многолучевого клистрона Ku-диапазона // XII Всероссийская научно-техническая конференция «Электроника и микроэлектроника СВЧ». Сборник докладов. Санкт-Петербург. 29 мая-2 июня 2023 г. Санкт-Петербург: СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2023. С. 268-270.
8. Адлер Ю., Шпер В. Практическое руководство по статическому управлению процессами. Москва: Альпина Паблишер, 2019. 234 с.
9. Клячкин В. Н. Модели и методы статистического контроля многопараметрического технологического процесса. Москва.: ФИЗМАТЛИТ, 2011. 196с.
10. Клячкин В. Н., Крашенинников В. Р., Кувайскова Ю. Е. Прогнозирование и диагностика стабильности функционирования технических объектов. Москва: РУСАЙНС, 2020. 200 с.
11. Кушнарёв В. О., Климовский А. Б., Клячкин В. Н. Прогнозирование качества функционирования блока усилителя мощности // Тезисы докладов 8-й научно-технической конференции «Математическое моделирование, инженерные расчёты и программное обеспечение для решения задач воздушно-космической обороны». Москва: Концерн ВКО, Алмаз-Антей, 2023.С. 54-55.
Информация об авторах
В. О. Кушнарев - инженер 1-й категории сборочно-монтажного цеха, АО «Ульяновский механический завод»;
А. Б. Климовский - кандидат физико-математических наук, доцент, заведующий кафедрой «Проектирование и технология электронных средств», проректор по научной работе, Ульяновский государственный технический университет.
REFERENCES
1. Borisov L., Shchelkunov G. Moshchnye i sverhmoshchnye SVCH-istochniki: ot klistronov do novogo klassapriborov [Powerful and super-powerful microwave sources: from klystrons to a new class of devices]. Elektronika: nauka, tekhnologii, biznes, [Electronics: science, technology, business], 2012. No.4(00118).pp.l02-106.
2. Batsev V. I. Problema sozdaniya vysoko-nadyozhnyh EVP SVCH [The problem of creating highly reliable microwave EVP], Elektronnaya tekhnika SSSR. Elektronika SVCH [Electronic equipment of the USSR. Microwave electronics]. 1982. Issue 12(348). pp.39-43.
3. Yunakov A. N. [Issledovanie i razrabotka shirokopolosnyh mnogoluchevyh klistronov s vyhodnoj srednej moshchnost'yu bolee 10 kVt i nizkovol'tnym upravleniem na prostranstvenno-razvityh rezonatorah v srednej chasti santimetrovogo diapazona dlin voln. Avtoreferat dissertacii na soiskanie uchyonoj stepeni kandidata tekhnicheskih nauk [Research and development of broadband multipath klystrons with an average output power of more than 10 kW and low-voltage control on spatially developed resonators in the middle part of the centimeter wavelength range. Abstract of the dissertation for the degree of Candidate of Technical Sciences], Fryazino. JSC NPP Istok. 2011. pp. 3-4.
4. Kryuchkov V. L. Obespechenie kachestva proektirovaniya i proizvodstva tvyordotel'nyh usilitelej moshchnosti peredatchikov RLS na osnove metoda preobrazovanij evristicheskih modelej. Avtoreferat dissertacii na soiskanie uchenoj stepeni kandidata tekhnicheskih nauk [Ensuring the quality of design and production of solid-state power amplifiers of radar transmitters based on the method of transformations of heuristic models. Abstract of the dissertation for the degree of Candidate of Technical Sciences], Moscow. FSUENPP Pulsar 2011. pp. 3-5.
5. Elektrovakuumnye usiliteli SVCH, vypuskaemye AO «NPP Istok» im. Shokina [Microwave vacuum amplifiers manufactured by JSC NPP Istok named after Shokina], A. A. Borisov, S. V.
Shcherbakov, A. S. Kotov, P. M. Meleshkevich, A. D. Zakurdaev, M. S. Vostrov, E. V. Zhary, V. I. Pugnin, K. G. Simonov, B. V. Sazonov, T. I. Polyanskaya, E. A. Stroikov, A. N. Yunakov, S. V. Evseev. Obmen opytom v oblasti sozdaniya sverhshirokopolosnyh radioelektronnyh sistem. Materialy VI obshcherossijskoj nauchno-tekhnicheskoj konfe-rencii [Exchange of experience in the field of creation of ultra-wideband electronic systems. Materials of the VI All-Russian Scientific and Technical Conference]. Omsk, 2016. pp. 66-68.
6. Perspektivy razvitiya mnogoluchevyh klistronov [Prospects for the development of multipath klystrons]. Freidovich I. A., Balabanov A. K., Akimov P. I., etc. Materialy III Vserossijskoj nauchno-tekhnicheskoj konferenciya «Elektronika i mikroelektronika SVCH», [Materials of the III All-Russian Scientific and technical conference «Microwave Electronics and microelectronics»], St. Petersburg, 2014. pp. 25-27.
7. Kalachev A. D. Puti povysheniya komplek-sa vyhodnyh parametrov miniatyurnogo mnogoluchevogo klistrona Ku-diapazona [Ways to increase the complex of output parameters of a miniature multipath klystron of the Ku-band]. XII Vserossijskaya nauchno-tekhnicheskaya konferenciya «Elektronika i mikroelektronika SVCH». Sbornik dokladov. Sankt-Peterburg. 29 maya-2 iyunya 2023 g [XII All-Russian scientific and technical conference «Microwave Electronics and microelectronics». Collection of reports]. Saint-Petersburg. May 29-June 2, 2023 St. Petersburg. SPbSETU «LETI», 2023. pp. 268-270.
8. AdlerYu., Shper V. Prakticheskoe rukovodstvo po staticheskomu upravleniyu processami [Practical guide to static process management]. Moscow. Alpina Publisher, 2019.234p.
9. Klyachkin V. N. Modeli i metody statisticheskogo kontrolya mnogoparametricheskogo tekhnologicheskogo processa. [Models and methods
of statistical control of a multiparametric technological process]. Moscow. FIZMATLIT, 2011. 196 p.
10. Klyachkin V. N., Krasheninnikov V. R., Kuvaiskova Yu. E. Prognozirovanie i diagnostika stabil'nosti funkcionirovaniya tekhnicheskih ob"ektov [Forecasting and diagnostics of the stability of the functioning of technical facilities]. Moscow. RUSAINS, 2020. 200 p.
11. Kushnarev V. O., KlimovskyA. В., Klyachkin V. N. Prognozirovanie kachestva funkcionirovaniya bloka usilitelya moshchnosti [Forecasting the quality of functioning of the power amplifier unit]. Tezisy dokladov 8-j nauchno-tekhnicheskoj konferencii «Matematicheskoe modelirovanie, inzhenernye raschyoty i programmnoe obespechenie dlya resheniya zadach vozdushno-kosmicheskoj oborony». [Abstracts of the 8th Scientific and technical conference «Mathematical modeling, engineering calculations and software for solving problems of aerospace defense». Moscow. ADConcern], Almaz-Antey, 2023. pp. 54-55.
Information about the authors V. O. Kushnarev - engineer of the 1-st category of the assembly and assembly shop, JSC «Ulyanovsk Mechanical Plant»;
A. B. Klimovsky - candidate of physical and mathematical sciences, associate professor, Head of the Department «Design and technology of electronic device», Vice-rectorfor scientific work, Ulyanovsk State Technical University.
Статья поступила в редакцию 11.12.2023; одобреиапосле рецензирования 14.12.2023; принята к публикации 20.12.2023.
The article was submitted 11.12.2023; approved after reviewing 14.12.2023; accepted for publication 20.12.2023.
