Лампа бегущей волны
Владельцы патента RU 2319250:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное предприятие "Алмаз" (RU)
Изобретение относится к области СВЧ-электроники, а более конкретно к лампам бегущей волны (ЛБВ) спирального типа, и может быть использовано при разработке и производстве ЛБВ. Технический результат - повышение эффективности теплоотвода от линии замедления спирального типа, снижение ее температуры, увеличение надежности, КПД и выходной мощности ЛБВ спирального типа. Лампа бегущей волны содержит линию замедления спирального типа, закрепленную в токопроводящей оболочке с помощью диэлектрических стержней. Диэлектрические стержни выполнены из пиролитического ромбоэдрического нитрида бора с гетерофазной или монофазной высокоориентированной поликристаллической структурой, полученного путем газофазного осаждения на плоскую поверхность. Диэлектрические стержни выполнены и установлены в ЛБВ так, что плоскости осаждения пиролитического ромбоэдрического нитрида бора и продольные, радиально расположенные относительно оси линии замедления, плоскости диэлектрических стержней параллельны, с полем допуска параллельности не более 0,5С, где С - размеры поперечного сечения диэлектрических стержней в направлении, перпендикулярном радиусу линии замедления. При этом диэлектрические стержни могут быть выполнены из пиролитического ромбоэдрического нитрида бора, содержащего от 0 до 85% гексагональной фазы, или из пиролитического ромбоэдрического нитрида бора, содержащего от 0 до 50% вюртцитной фазы при суммарном содержании вюртцитной и гексагональной фаз от 0 до 85%. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к области СВЧ-электроники, а более конкретно к лампам бегущей волны (ЛБВ) спирального типа, и может быть использовано при разработке и производстве ЛБВ.
В ЛБВ спирального типа линии замедления закрепляются в токопроводящих оболочках с помощью диэлектрических стержней, которые служат также для отвода тепла от линий замедления.
Известны зависимости характеристик ЛБВ спирального типа от параметров диэлектрических стержней. Увеличение теплопередающей способности стержней приводит к увеличению эффективности теплоотвода от линии замедления, снижению ее температуры и, соответственно, к снижению омических СВЧ-потерь в ее проводнике, повышению надежности, КПД и выходной мощности ЛБВ (A.S.Gilmour, M.R.Gillette, Jenn-Tsung "Chen Theoretical and experimental TWT helix loss determination"/ IEEE Transactions on ED, 1979, n.10, p.1581-1588 и S.L.Aldana and R.N.Tamashiro "K-band TWT using new diamond rod technology." / 13 th AIAA Int. Commun. Satell. Syst. Conf. and Exhib, Los Angeles, Calif. Washington, March, 11-15, 1990, p.766-770).
Применение в конструкции ЛБВ для закрепления линий замедления спирального типа диэлектрических стержней с минимально возможными значениями относительной диэлектрической проницаемости приводит к увеличению сопротивления связи на оси линии замедления спирального типа и, соответственно, увеличению КПД ЛБВ. Увеличение механической прочности стержней увеличивает надежность ЛБВ спирального типа.
Известна спиральная ЛБВ, в которой для механического закрепления спирали и отвода тепла от нее используются диэлектрические стержни из окиси бериллия (Morishita I., Sasaki M. Development of 200 W TWT's for broadcast satellites // NHK Laboratories Note. №306. 1984. p.2-11.)
Недостатками данной конструкции являются:
а) наличие в конструкции ЛБВ токсичного материала - окиси бериллия;
б) существенное уменьшение теплопередающей способности диэлектрических стержней за счет уменьшения коэффициента теплопроводности окиси бериллия при увеличении температуры стержней в работающей ЛБВ, что приводит к увеличению температуры спирали и, соответственно, к увеличению в ней омических СВЧ-потерь, уменьшению надежности, КПД и выходной мощности ЛБВ;
в) при использовании диэлектрических стержней из окиси бериллия, характеризующейся высокими значениями относительной диэлектрической проницаемости (от 5,8 до 7,2 при температуре 20°С и более 8 при рабочей температуре), получены невысокие значения электронного (20%) и общего КПД (49,2%). В спиральных ЛБВ теплопроводность стержней из окиси бериллия на самых теплонагруженных участках может уменьшаться в 2 раза и более относительно теплопроводности при нормальной температуре. (М.Д.Бершадская, В.Г.Аветиков, Б.Н.Шарупин. Исследование свойств пиролитического нитрида бора // Электронная техника. Серия Материалы 1978, вып.6, с.61).
Известна ЛБВ со спиральной линией замедления, в которой спираль из вольфрама закрепляется с помощью трех стержней из анизотропного нитрида бора (J.R.Hechtel, D.C.Wilson. A high-efficiency, CW, PPM-focused TWT for ECM applications // "Int. Electron Dev. Meet. Washington, D.C., Techn. Dig., 1977" 1977, p.354-356). Эта ЛБВ не содержит токсичного материала - окиси бериллия.
Недостатком этой ЛБВ является низкая надежность, обусловленная недостаточной теплопередающей способностью диэлектрических стержней. Это является следствием того, что применяемый при производстве спиральных линий замедления анизотропный нитрид бора имеет низкий коэффициент теплопроводности.
Известна ЛБВ, содержащая линию замедления спирального типа, закрепленную в токопроводящей оболочке с помощью диэлектрических стержней из анизотропного пиролитического нитрида бора. Нитрид бора имеет гексагональную кристаллическую структуру, и плоскости кристаллов ориентированы радиально по отношению к оси лампы с целью обеспечения максимального отвода тепла от линии замедления. (Muenneman F., Dombro L., Long J. Dual-mode 20 GHz downlink TWT for the ACTS satellite. Microwave System News. vol.18. №5. 1988, p.50-61). Данная ЛБВ является наиболее близкой к предлагаемой по своей технической сущности, поэтому выбрана в качестве прототипа заявляемому техническому решению. Относительная диэлектрическая проницаемость и коэффициент теплопроводности материала стержней, примененных в конструкции ЛБВ, не ухудшаются при увеличении их (стержней) температуры до значений, существенно превышающих рабочие. (М.Д.Бершадская, В.Г.Аветиков, Б.Н.Шарупин. Исследование свойств пиролитического нитрида бора // Электронная техника. Серия Материалы, 1978. вып.6. с.60-66). Относительная диэлектрическая проницаемость у анизотропного пиролитического нитрида бора при рабочих температурах опорных стержней существенно ниже, чем у окиси бериллия (в 2-2,5 раза), что позволяет увеличить КПД ЛБВ.
Однако коэффициент теплопроводности анизотропного пиролитического нитрида бора, имеющего гексагональную кристаллическую структуру, имеет недостаточно высокое для мощных ЛБВ спирального типа значение. Поэтому для обеспечения надежной работы ЛБВ прототипа в условиях недостаточной эффективности теплоотвода от линии замедления в ней применены спирали из тугоплавкого материала - сплава вольфрама с рением. Использование в линии замедления проводника из материала с большим электрическим сопротивлением, работающего при высокой температуре, приводит к увеличению в ней омических СВЧ-потерь и, соответственно, к дополнительному увеличению ее температуры, уменьшению надежности, КПД и выходной мощности ЛБВ. КПД ЛБВ прототипа не превышает 46,5%, а выходная мощность не превышает 50 Вт.
Необходимо также отметить, что ориентация плоскостей кристаллов анизотропного пиролитического нитрида бора радиально по отношению к оси лампы не является достаточным условием для максимального отвода тепла от линии замедления, так как из-за сильной анизотропии теплопроводности при ориентации плоскостей кристаллов радиально и одновременно перпендикулярно по отношению к оси лампы удельная теплопередача от максимально теплонагруженных участков линии замедления будет существенно ниже максимально возможной.
Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности теплоотвода от линии замедления, снижение ее температуры, увеличение надежности, КПД и выходной мощности ЛБВ спирального типа.
Указанная задача решается тем, что в лампе бегущей волны, содержащей линию замедления спирального типа, закрепленную в токопроводящей оболочке с помощью диэлектрических стержней из анизотропного пиролитического нитрида бора, диэлектрические стержни выполнены из пиролитического ромбоэдрического нитрида бора с гетерофазной или монофазной высокоориентированной поликристаллической структурой, полученного путем газофазного осаждения на плоскую поверхность, причем диэлектрические стержни выполнены и установлены в ЛБВ так, что плоскости осаждения пиролитического ромбоэдрического нитрида бора и продольные, радиально расположенные относительно оси линии замедления плоскости диэлектрических стержней параллельны с полем допуска параллельности не более 0,5С, где С - размеры поперечного сечения диэлектрических стержней в направлении, перпендикулярном радиусу линии замедления. Диэлектрические стержни из пиролитического ромбоэдрического нитрида бора могут содержать от 0 до 85% гексагональной фазы, а также от 0 до 50% вюртцитной фазы при их суммарном содержании от 0 до 85%. Линия замедления спирального типа может быть выполнена в виде модифицированной спирали: «кольцо-перемычка», эллиптическая спираль и т.д. или их комбинаций.
При работе ЛБВ линия замедления спирального типа нагревается в результате преобразования в тепло кинетической энергии электронов, попадающих на линию замедления из электронного потока, и энергии СВЧ потерь бегущей электромагнитной волны. Температура линии замедления тем выше, чем больше перепад температуры в диэлектрическом стержне в радиальном направлении. При недостаточно эффективном отводе тепла от линии замедления ее температура увеличивается до температуры плавления ее проводника, что приводит к отказу ЛБВ. Величину перепада температуры по диэлектрическому стержню между границами тепловых контактов с токопроводящей оболочкой и линией замедления можно оценить так:
где ТЛ - температура диэлектрического стержня на поверхности касания с линией замедления, °С;
ТО - температура диэлектрического стержня на поверхности касания с оболочкой, °С;
Р - мощность теплового потока, проходящего через 1 тепловой контакт линии замедления с диэлектрическим стержнем, Вт;
Δr - размер диэлектрического стержня в радиальном направлении от линии замедления до токопроводяшей оболочки, м;
λ - коэффициент теплопроводности материала стержня, Вт/м·К;
S - усредненная площадь распространения теплового потока в диэлектрическом стержне от одного теплового контакта с линией замедления, м2.
Известно, что пиролитический нитрид бора с высокоориентированной поликристаллической структурой, полученный путем газофазного осаждения на плоскую поверхность, обладает значительной анизотропией характеристик. У этого материала коэффициент теплопроводности вдоль плоскости осаждения в десятки раз больше коэффициента теплопроводности в направлении, перпендикулярном плоскости осаждения. Также известно, что, в зависимости от содержания ромбоэдрической фазы, коэффициент теплопроводности пиролитического ромбоэдрического нитрида бора с гетерофазной или монофазной высокоориентированной поликристаллической структурой, полученного путем газофазного осаждения на плоскую поверхность, в направлениях вдоль плоскости осаждения в 1,5÷3,5 раз больше коэффициента теплопроводности пиролитического гексагонального нитрида бора, который используется в конструкции прототипа, в тех же направлениях. (М.Д.Бершадская, В.Г.Аветиков, Б.Н.Шарупин. Исследование свойств пиролитического нитрида бора // Электронная техника. Серия Материалы, 1978. вып.6. С.60-66), (B.C.Дедков, А.В.Кабышев, Ф.В.Конусов, В.В.Лопатин, Б.Н.Шарупин. Свойства пиролитического ромбоэдрического нитрида бора // Неорганические материалы. Т 32. №6. 1996. С.690-695). Соответственно в ЛБВ с линией замедления спирального типа, при всех других равных условиях, перепад температуры по диэлектрическому стержню, выполненному из пиролитического ромбоэдрического нитрида бора с гетерофазной или монофазной высокоориентированной поликристаллической структурой, полученного путем газофазного осаждения на плоскую поверхность, будет в 1,5÷3,5 раз меньше, чем в ЛБВ прототипе. Причем из-за указанной выше анизотропии теплопроводности для обеспечения в ЛБВ максимальной эффективности теплоотвода от линии замедления спирального типа, в соответствии с предлагаемым изобретением, диэлектрические стержни выполняются так, что их продольные плоскости, которые располагаются в ЛБВ радиально относительно ее оси, ориентируются параллельно плоскостям осаждения пиролитического ромбоэдрического нитрида бора с гетерофазной или монофазной высокоориентированной поликристаллической структурой, полученного путем газофазного осаждения на плоскую поверхность.
На фиг.1 представлен фрагмент продольного сечения линии замедления спирального типа, где 1 - линия замедления, закрепленная с помощью диэлектрических стержней 2, в токопроводящей оболочке 3 (вариант исполнения ЛБВ с цилиндрической немодифицированной спиралью), стрелками показаны направления преимущественного распространения теплового потока 
в диэлектрических стержнях ЛБВ, конструкция которой соответствует предлагаемому изобретению. Положение плоскостей осаждения пиролитического ромбоэдрического нитрида бора в диэлектрических стержнях той же ЛБВ схематически показано на виде А фиг.1 прямыми линиями, изображающими проекции этих плоскостей на поперечное сечение стержней.
На фиг.2 показано рассчитанное для спиральной ЛБВ 2,5 сантиметрового диапазона длин волн изменение температуры медной спирали при увеличении мощности теплового потока, падающего на один виток спирали (Вт/виток). Представленный на фиг.2 интервал мощности теплового потока, падающего на один виток спирали, соответствует изменению выходной мощности от 50 до 300 Вт.
Ряд 1 температур получен для ЛБВ со спиральной линией замедления, закрепленной с помощью диэлектрических стержней, выполненных из пиролитического гексагонального нитрида бора, который используется в конструкции прототипа.
Ряд 2 и ряд 3 температур получены для ЛБВ с такой же линией замедления, выполненной в соответствии с предлагаемым изобретением. Диэлектрические стержни этих ЛБВ выполнены из пиролитического ромбоэдрического нитрида бора с гетерофазной высокоориентированной поликристаллической структурой, полученного путем газофазного осаждения на плоскую поверхность, с разным содержанием ромбоэдрической фазы: 15% - ряд 2, 85% - ряд 3.
Уменьшение температуры линии замедления сопровождается уменьшением удельного электрического сопротивления проводника линии замедления в соответствии с известной пропорцией:
где ρT - удельное электрическое сопротивление проводника при температуре Т,
- удельное электрическое сопротивление проводника при температуре (Т-ΔT),
ΔT - разность температур, при которых измерены ρТ и 
α - температурный коэффициент сопротивления.
При увеличении эффективности отвода тепла от линии замедления ее температура уменьшается, соответственно уменьшаются ρ, мощность СВЧ потерь и суммарная мощность теплового потока, падающего на элемент линии замедления, увеличиваются надежность, выходная мощность и КПД ЛБВ. Кроме того, диэлектрические стержни из пиролитического ромбоэдрического нитрида бора с гетерофазной или монофазной высокоориентированной поликристаллической структурой, полученного путем газофазного осаждения на плоскую поверхность, превосходят по механической прочности аналогичные стержни из пиролитического гексагонального нитрида бора, которые применяются в конструкции ЛБВ прототипа. Увеличение механической прочности диэлектрических стержней приводит к увеличению надежности ЛБВ. Относительная диэлектрическая проницаемость в рабочих диапазонах ЛБВ с линией замедления спирального типа при рабочих температурах у диэлектрических стержней из пиролитического ромбоэдрического нитрида бора с гетерофазной или монофазной высокоориентированной поликристаллической структурой, полученного путем газофазного осаждения, не превышает 5,3.
Промышленная реализация ЛБВ предлагаемой конструкции возможна как с диэлектрическими стержнями из пиролитического ромбоэдрического нитрида бора с гетерофазной высокоориентированной поликристаллической структурой, полученного путем газофазного осаждения на плоскую поверхность известным способом (B.C.Дедков, А.В.Кабышев, Ф.В.Конусов, В.В.Лопатин, Б.Н.Шарупин. Свойства пиролитического ромбоэдрического нитрида бора // Неорганические материалы. Т 32. №6. 1996. С.690-695), так и с диэлектрическими стержнями из пиролитического ромбоэдрического нитрида бора с гетерофазной или монофазной высокоориентированной поликристаллической структурой, полученного путем газофазного осаждения на плоскую поверхность другим известным способом (Шарупин Б.Н., Тупицина Е.В., Осмаков А.С., Маметьев Р.Ю. Пиролитический ромбоэдрический нитрид бора и способ его получения // Патент РФ №2167224, опубл. 20.05.2001 г.).
Диэлектрические стержни получают, например, механической обработкой заготовок из пиролитического ромбоэдрического нитрида бора с гетерофазной или монофазной высокоориентированной поликристаллической структурой, полученного путем газофазного осаждения на плоскую поверхность с заданным припуском по размерам стержней. Сначала заготовка шлифуется по толщине с двух сторон параллельно плоскостям осаждения пиролитического ромбоэдрического нитрида бора с максимально достижимой параллельностью относительно плоскостей осаждения до размера С, где С - размеры поперечного сечения диэлектрических стержней в направлении, перпендикулярном радиусу линии замедления (размер С показан на виде А фиг.1). Поле допуска параллельности при шлифовании должно быть не более 0,5С. Затем из шлифованной по толщине до размера С заготовки вырезают, например, фрезой стержни заданной длины и заданной высоты Δr (размер Δr показан на фиг.1). Диэлектрические стержни могут иметь поперечное сечение с геометрической формой, отличающейся от показанной на фиг.1, при этом продольные плоскости стержней, соединяющие по кратчайшему пути линиею замедления спирального типа и токопроводящую оболочку, должны быть параллельны поверхности осаждения пиролитического ромбоэдрического нитрида бора с полем допуска параллельности не хуже, чем для плоского стержня с толщиной С, равной размеру контактной площадки диэлектрического стержня с элементом линии замедления в азимутальном относительно оси ЛБВ направлении.
При закреплении линии замедления спирального типа в токопроводящей оболочке диэлектрические стержни устанавливаются между линией замедления и оболочкой так, чтобы плоскости осаждения пиролитического ромбоэдрического нитрида бора были продольными радиально секущими ЛБВ плоскостями (как показано на фиг.1).
Для подтверждения возможности промышленной реализации предлагаемого изобретения были изготовлены и испытаны экспериментальные образцы ЛБВ с конструкцией, соответствующей предлагаемому изобретению. Величина КПД экспериментальных образцов ЛБВ со спиральной линией замедления, с конструкцией, соответствующей предлагаемому изобретению, в 2,5 сантиметровом диапазоне длин волн достигла 69,6%. Снижение температуры линии замедления в результате использования в конструкции ЛБВ предлагаемого изобретения позволило применить в линии замедления проводник из медного сплава с содержанием меди 99,8%. При выходной непрерывной мощности 60 Вт прогнозируемая долговечность этой ЛБВ более 150 тыс. часов подтверждена положительными результатами испытаний в ускоренном (форсированном) режиме при повышенной температуре окружающей среды в течение 1000 часов.
1. Лампа бегущей волны (ЛБВ), содержащая линию замедления спирального типа, закрепленную в токопроводящей оболочке с помощью диэлектрических стержней из анизотропного пиролитического нитрида бора, отличающаяся тем, что диэлектрические стержни выполнены из пиролитического ромбоэдрического нитрида бора с гетерофазной или монофазной высокоориентированной поликристаллической структурой, полученного путем газофазного осаждения на плоскую поверхность, причем диэлектрические стержни выполнены и установлены в ЛБВ так, что плоскости осаждения пиролитического ромбоэдрического нитрида бора и продольные, радиально расположенные относительно оси линии замедления, плоскости диэлектрических стержней параллельны, с полем допуска параллельности не более 0,5С, где С - размеры поперечного сечения диэлектрических стержней в направлении, перпендикулярном радиусу линии замедления.
2. ЛБВ по п.1, отличающаяся тем, что диэлектрические стержни выполнены из пиролитического ромбоэдрического нитрида бора, содержащего от 0 до 85% гексагональной фазы.
3. ЛБВ по п.2, отличающаяся тем, что диэлектрические стержни выполнены из пиролитического ромбоэдрического нитрида бора, содержащего от 0 до 50% вюртцитной фазы при суммарном содержании вюртцитной и гексагональной фаз от 0 до 85%.
4. ЛБВ по п.1, отличающаяся тем, что линия замедления спирального типа выполнена в виде модифицированной спирали.
