eng
Выпуск #5/2007
И.Викулов, Н.Кичаева.
Вакуумная СВЧ-электроника в США. Состояние и тенденции развития
Вакуумная СВЧ-электроника в США. Состояние и тенденции развития
Просмотры: 3193
Несмотря на то, что и вакуумная, и твердотельная электроника в равной степени являются основой современных систем вооружения, акценты в их развитии существенно различаются. Стало складываться мнение, что вакуумная электроника, сформировавшаяся много десятилетий назад, – устаревает. В результате сокращается финансирование исследований и разработок вакуумных приборов, свертывается ряд программ. Многие ученые-вакуумщики США, обеспокоенные ухудшающимся положением в отрасли, выступили с обоснованием ее важности, в том числе для обеспечения национальной безопасности и военного потенциала страны [1–3].
Наиболее явно это выразилось в аналитическом докладе Министерству обороны (МО) США, составленном по результатам совещания представителей военных ведомств, промышленности электровакуумных приборов (ЭВП), правительственных лабораторий и вузов [2]. В докладе определялись текущее состояние технологии, требования действующих и будущих систем военного назначения к ЭВП. Были даны конкретные рекомендации по инвестициям в исследования и разработки, необходимые для поддержания национальной технологической базы вакуумной электроники в США.
Наиболее явно это выразилось в аналитическом докладе Министерству обороны (МО) США, составленном по результатам совещания представителей военных ведомств, промышленности электровакуумных приборов (ЭВП), правительственных лабораторий и вузов [2]. В докладе определялись текущее состояние технологии, требования действующих и будущих систем военного назначения к ЭВП. Были даны конкретные рекомендации по инвестициям в исследования и разработки, необходимые для поддержания национальной технологической базы вакуумной электроники в США.
Положение в промышленности ЭВП
Электровакуумную промышленность США образуют около 20 компаний. На долю четырех крупнейших из них – Communications and Power Industries, L-3 Communications EDD, Boeing Electron Dynamic и Teledyne Electronic Technologies – приходится примерно 90% всех продаж ЭВП. Эти компании находятся в Калифорнии, в них работают приблизительно 2 тыс. человек. В число национальных лабораторий, поддерживающих вакуумную технологию, входят: Исследовательская лаборатория ВМС (Naval Research Laboratory, NRL), Центр военно-морских вооружений (Naval Surface Warfare Center, NSWC) в Крейне, шт. Индиана, Центр стэнфордского линейного ускорителя (Stanford Linear Accelerator Center, SLAC), Лос-Аламосская национальная лаборатория и Исследовательский центр NASA. Основная организация, руководящая исследованиями и разработками в области вакуумной электроники, – NRL. SLAC и Лос-Аламосская национальная лаборатория поддерживают разработки в интересах Министерства энергетики, а также создание сверхмощных приборов СВЧ (энергетического оружия). Исследования по вакуумной электронике проводятся также в шести вузах США: Массачусетском технологическом институте, двух университетах в Калифорнии (Девиса и Стэнфордский) и трех – в штатах Мэриленд, Висконсин и Мичиган.
В 1989 году объем продаж ЭВП в США достигал 600 млн. долл. (в том числе мощных сеточных ламп – 130 млн. долл.) (рис.1). К 1997 году продажи ЭВП упали до 330 млн. долл. (мощных сеточных ламп – до 80 млн. долл.). В период 1998–2000 годы продажи стабилизировались на уровне 350 млн. долл. От 70 до 75% объема продаж приходится на долю ЭВП военного назначения. Доля продаж продукции европейской электровакуумной промышленности на рынке США составляет ∼13%.
Структура продаж ЭВП в США по типам ламп имеет следующий вид:
Тип ЭВП Доля на рынке, %
Клистроны 18
Приборы М-типа (усилители со скрещенными полями и магнетроны) 10
ЛБВ на связанных резонаторах 20
Спиральные ЛБВ 52
Общее число работающих в промышленности ЭВП США в 1989 году достигало 4800 человек, из них – 750 ученых и инженеров (рис.2). К 2001 году эти цифры снизились, соответственно, до 2200 и 400 человек. Электровакуумная промышленность постоянно теряет опытные кадры. Здесь играет роль и уход их на пенсию, и агрессивный набор специалистов в высокотехнологичные коммерческие отрасли. Промышленности приходится прилагать немало усилий, чтобы привлечь студентов к участию в исследовательских и образовательных программах вузов по специальности ЭВП. К 2001 году дефицит дипломированных специалистов в области вакуумной электроники составлял 18%.
По мнению авторов доклада [2], главная проблема вакуумной электроники в США – недостаточное финансирование разработок со стороны Министерства обороны (рис.3). В 1988 году уровень финансирования МО составил 12,6 млн. долл. (в фиксированных ценах 2001 года). Такой уровень был признан недостаточным. Последовало проведение двух программ: совместного проекта трех родов вооруженных сил "Инициатива вакуумной электроники" (Vacuum Electronics Initiative) в 1990–1995 годы и программы ВМС "Развитие науки и технологии в области вакуумной электроники" (VE S&T) в 1996–2000 годы. Однако после 1995 года финансирование МО сокращалось с каждым годом и в 2001 году составило всего 7,7 млн. долл., что ниже критического порога, необходимого для поддержания вакуумной технологии на уровне, соответствующем потребностям военных систем.
На проведение независимых исследований и разработок (IRAD) вакуумная промышленность ежегодно выделяет от 5 до 7% от объема продаж. Эти средства идут в основном на разработку приборов коммерческого назначения и на совершенствование методов компьютерного моделирования.
ЭВП и военные системы
В 272 электронных системах вооружения всех родов войск США к началу текущего десятилетия использовалось около 185 тыс. ЭВП. По оценкам, эти системы останутся на вооружении страны, по крайней мере, еще 20–30 лет. Это потребует замены или модернизации ряда приборов. К ним добавятся и новые приборы, необходимые для комплектования вновь создаваемых систем.
Военно-воздушные силы США используют 46750 ЭВП в своей аппаратуре, устанавливаемой на различных платформах, в том числе на истребителях (F-15, F-16), беспилотных летательных аппаратах (Predator), бомбардировщиках (В-1В, В-2), ракетах (AMRAAM), комплексах AWACS и других. Для станции контроля воздушной обстановки AN/TPS-75 разработан отказоустойчивый передатчик со сложением мощности нескольких ЛБВ на замедляющей системе "кольцо-стержень". Он заменил менее надежный передатчик на одиночном клистроне.
При создании радиолокатора для летательного аппарата Predator применение вакуумно-полупроводниковых мощных СВЧ-модулей (Microwave Power Modules, MPM), в состав которых входит ЛБВ [4], позволило на три года ускорить разработку системы в целом. Для комплекса AWACS разработан современный широкополосный клистрон, заменивший две узкополосные лампы. Это снизило издержки производства, повысило надежность и упростило замену прибора. Совместно с ВМС проведена предварительная проработка возможности создания передатчика помех JSSJ, летные испытания которого были намечены на 2006 год. Рассматривались конкурирующие концепции: широкополосные (2–18 ГГц) мощные МРМ-модули компании Northrop Grumman и решетка на мощных монолитных схемах фирмы ITT.
ВВС подчеркивают свою заинтересованность в дальнейшем развитии вакуумной технологии, в частности в разработке твердотельных эмиттеров (Solid State Electron Emitter) на основе InP/CdS/LaS для всех типов ЭВП с целью получения "мгновенной" эмиссии электронов с высокой плотностью тока (10–100 А/см2) при низких значениях напряжения модуляции (<20 В). Это исключило бы расход энергии на подогреватель, повысило бы срок службы и надежность приборов.
Сухопутные силы применяют ЭВП в системах обнаружения артиллерийских позиций (мобильная РЛС AN/TPQ-36
и -37 Firefinder), РЛС ПВО (AN/MPQ-64 Sentinel), системах РЭБ (AN/ALQ-211 SIRFC), ракетных головках самонаведения (РАС-I,
-II, -III) и ракетных комплексах ПВО (Patriot). Предусмотрена модернизация этих систем.
На вооружении сухопутных сил находится система AN/TPQ-47 (модернизация Firefinder), представляющая собой гибридную фазированную решетку на основе мощных МРМ-модулей с воздушным охлаждением. При ее разработке усилители на основе SiC-транзисторов не выдержали конкуренции с MPM-модулями.
Для мобильного наземного терминала скрытой помехоустойчивой спутниковой связи SMART-T благодаря более высокой мощности (>50 Вт) также было отдано предпочтение МРМ-модулям мм-диапазона (43,5–45,5 ГГц) перед усилителями на основе GaAs PHEMT. Сейчас ставится задача снижения себестоимости модулей до менее 25 тыс. долл. При модернизации системы защиты вертолетов ALQ-211 SIRFC проводится замена ЛБВ на МРМ-модули, что сократит массо-габаритные параметры и улучшит характеристики передатчика помех.
В настоящее время в ракетных головках самонаведения (ГСН) систем Patriot PAC-III и Medium Extended Defense System (MEADS) используются ЛБВ на связанных резонаторах Ка-диапазона (26–40 ГГц), выпускаемые во Франции фирмой Thales. В заданном частотном диапазоне ЭВП – единственное техническое решение, одновременно удовлетворяющее требованиям по мощности (как импульсной, так и средней) и габаритам. Сейчас компания CPI разрабатывает аналогичную ЛБВ американского производства с импульсной мощностью около 1 кВт, способную работать с очень короткими импульсами при высоком коэффициенте заполнения в условиях ограниченного охлаждения.
Военно-морские силы (NRL) имеют в своем активе разработку гироклистрона на 94 ГГц с импульсной мощностью 100 кВт и средней мощностью 10 кВт в полосе 600 МГц и КПД 33%. Гироклистрон используется в разработанной NRL радиолокационной станции W-диапазона WARLOC.
В свою очередь WARLOC входит в состав радара слежения за спутниками Haystack Ultra-wideband Satellite Imaging Radar, работающего в Х-диапазоне. WARLOC позволяет на порядок повысить разрешение изображения, получаемого радаром Haystack. Ввод комплекса в эксплуатацию в целом планируется на 2008 год [3].
Намечена разработка гироЛБВ диапазона 35 ГГц с полосой 4 ГГц и мощностью 100 кВт для РЛС посадки, а также гиро-ЛБВ с импульсной мощностью 5 кВт и полосой 8 ГГц W-диапазона (96 ГГц) для РЛС космической разведки. В планы NRL входит модернизация корабельной (AEGIS) станции AN/SPY-1, в решетке которой сейчас используются последовательно включенные ЛБВ на связанных резонаторах и усилители М-типа.
В качестве одного из вариантов рассматривается замена таких усилителей многолучевыми клистронами (МЛК) S-диапазона.
По оценкам, это позволит на 12 дБ повысить чувствительность РЛС при сохранении существующей структуры решетки. Расчет электронной пушки и коллектора МЛК выполнялся по трехмерной программе MICHELLE, а расчет клистрона в режиме большого сигнала – по программе TESLA. Импульсная мощность клистрона в S-диапазоне достигла 600 кВт при КПД 40%. Токооседание пучка без СВЧ не превышает 1% и составляет 3% в режиме насыщения. В дальнейшем для повышения КПД и расширения полосы планируется использовать 18-лучевую пушку и дополнительные многозазорные резонаторы [3]. Наибольшее число разработок многолучевых клистронов выполнено в России. Так, НПП "Исток" были созданы МЛК L-, S-, K- и Ku-диапазонов. В последнее время активность в области исследования МЛК наряду с США стали проявлять Франция и Китай [1].
NRL проводит собственную программу развития ЭВП, предусматривающую разработку:
* многолучевых усилителей для мощных малошумящих РЛС;
* линейных и широкополосных усилителей как в виде отдельных приборов, так и в виде МРМ-модулей для систем РЭБ и связи;
* усилителей миллиметрового диапазона на медленных волнах Ка- и W-диапазонов;
* мощных гироусилителей Ка- и W-диапазонов;
* компьютерного моделирования, в том числе создание интегрального пакета программ проектирования ЭВП;
* технологии обеспечивающих субкомпонентов, в том числе материалов (CVD-алмаз, AlN-керамика), электронных эмиттеров (катодов с плотностью тока 10–50 А/см2),диэлектриков, постоянных магнитов на основе редкоземельных материалов и других.
Достигнутые параметры и преимущества ЭВП
Динамика развития электронных СВЧ-приборов представлена на рис.4 и 5. Как видно из рис.5 плотность мощности вакуумных приборов удваивается каждые два года [1, 2]. По состоянию на 2000 год можно отметить следующие наиболее значительные результаты, полученные в США при разработке ЭВП [2].
В области ЛБВ:
* сверхширокополосные (3–18 ГГц) спиральные лампы мощностью 125–200 Вт и с коэффициентом усиления 47 дБ в центре полосы и 27 дБ на краю при КПД 45 и 25%, соответственно (компания L-3 Communications);
* спиральные ЛБВ миллиметрового диапазона мощностью 130 Вт на частоте 44 ГГц при КПД 40% (1995 год, компания L-3 Communications). По последним данным, выходная мощность таких ЛБВ уже достигает 220 Вт [3];
* достижение спиральными ЛБВ для спутников связи КПД более 73% на частоте до 12 ГГц в полосе 500 МГц. Срок службы этих приборов – более 18 лет (150 тыс. ч), наработка на орбите (MTTF) – более 10 млн. ч. По этому показателю они сравнимы или превосходят твердотельные приборы (компания Boeing EDD);
* ЛБВ на свернутом волноводе, развивающие мощность 50–100 Вт в диапазоне от 40 до 52 ГГц. Их конструкция может быть масштабирована в диапазон 85–100 ГГц. Результаты компьютерного моделирования показывают возможность достижения КПД >30% при плавном изменении скорости замедленной волны и многоступенчатом понижающем коллекторе (компания L-3 Communications).
* сверхлинейные спиральные ЛБВ для коммерческих систем связи. Мощность ЛБВ с линеаризатором в полосе 1,8–2 ГГц составляет 200 Вт при соотношении интермодуляционной составляющей третьего порядка и несущей -73 дБ.
В области мощных МРМ-модулей:
* широкополосные модули (3–18 ГГц) мощностью более 100 Вт для систем РЭБ. Дальнейшее развитие систем требует расширения полосы до 2–18 ГГц и увеличения мощности до 200 Вт (компании L-3 Communications и Northrop);
* МРМ-модули объемом не более 800 см3 с выходной мощностью 180 Вт в полосе 4–6 ГГц при КПД 50% и коэффициенте шума 10 дБ (компания Northrop);
* МРМ-модули миллиметрового диапазона с непрерывной мощностью 20–40 Вт во всей полосе 18–40 ГГц. Проводится разработка модулей мощностью 50 Вт. К 2010 году ожидается получить в указанной полосе 100 Вт (компании L-3 Communications и Northrop).
В области клистронов:
* компактные клистроны с распределенным взаимодействием, фокусировкой постоянными магнитами с импульсной мощностью 150 Вт в W-диапазоне и 1,5 кВт в Ка-диапазоне. Ставится задача увеличения их средней мощности и полосы до 4–8% (компания CPI);
* введение многоступенчатых понижающих коллекторов, что позволило увеличить КПД клистронов для систем связи в два раза при их работе в линейном режиме в частотных диапазонах от S до Ка (компания CPI);
* малогабаритный клистрон с импульсной мощностью 100 кВт в W-диапазоне, созданный с помощью немецкой литографической технологии LIGA "Клистрино". Диаметр электронного луча – 0,5 мм, диаметр канала – 0,8 мм, рабочее напряжение – 110 кВ (SLAC);
* клистрон с фокусировкой периодическими постоянными магнитами с импульсной мощностью 75 МВт в Х-диапазоне — энергетическое оружие (SLAC);
* клистрон L-диапазона с выходной импульсной мощностью 1 ГВт при частоте повторения импульсов 5 Гц и длительности 1 мкс (компания SLAC и Лос-Аламосская национальная лаборатория).
В области приборов М-типа:
* легкие малогабаритные коаксиальные магнетроны для ГСН и аэродромных РЛС;
* синхронизированный магнетрон S-диапазона с импульсной мощностью 50 МВт и "усилением" 13 дБ — энергетическое оружие (компания CPI).
В области гироприборов:
* гироЛБВ с импульсной мощностью 100 кВт и средней 10 кВт на частоте 94 ГГц при КПД 30%. Работа выполнена фирмой CPI совместно с NRL, компанией Litton и университетом Мэриленда и является примером успешного компьютерного проектирования с первой попытки;
* гиротронный генератор для энергетических исследований с непрерывной мощностью 1 МВт на частоте 100 ГГц (компания CPI);
* гироклистрон с импульсной мощностью 100 кВт и средней 10 кВт на частоте 94 ГГц (NRL).
Предложения американских экспертов по поддержке развития ЭВП
По мнению американских специалистов, сокращающийся уровень финансирования вакуумной электроники создал угрозу разрушения национальной технологической базы. В аналитическом докладе группы экспертов [2] даются следующие рекомендации по развитию вакуумной технологии.
I. Базовые исследования. Ежегодное финансирование в размере 5 млн. долл. в течение пяти лет для укрепления образовательных и исследовательских программ вузов и индивидуальных конкурсных проектов.
II. Прикладные исследования. Восстановить финансирование в объеме 12 млн. долл. в год для продолжения и расширения работ в области перспективных технологий, в том числе для разработки двух- и трехмерных программ расчета ЭВП, а также создания специальных типов ЭВП:
* сверхширокополосных мощных спиральных ЛБВ;
* спиральных ЛБВ, ЛБВ на связанных резонаторах и клистронов с распределенным взаимодействием миллиметрового диапазона для высокоскоростных систем связи, ГСН и РЛС с синтезированной апертурой для беспилотных летательных аппаратов;
* мощных гироусилителей миллиметрового диапазона для РЛС с высоким разрешением;
* мощных многолучевых клистронов.
Ставится и задача финансирования разработки обеспечивающих технологий, включая новые типы систем взаимодействия, новые технологические материалы, улучшенные эмиттеры, эффективные многоступенчатые коллекторы и высокопервеансные электронные пушки с прецизионной оптикой.
III. Перспективные разработки. Ежегодное финансирование в объеме 10 млн. долл. для подготовки новых приборов к внедрению в системы, в том числе и для улучшения процессов сборки, испытаний на воздействие внешних факторов и повышения надежности. Цель этих работ – снижение стоимости систем и связанных с ними рисков.
IV. Производственная технология. Необходимый уровень финансирования 5–7 млн. долл. в год в течение трех лет. Цель – создание пилотного производства недорогих МРМ-модулей и демонстрация надежности приборов.
VI. Промышленная инфраструктура. Рекомендовано в течение пяти лет отчислять 3 млн. долл. в год на обеспечение ЭВП необходимыми материалами и компонентами, что позволит улучшить параметры и снизить себестоимость приборов.
VII. Действующие системы. Для модернизации передатчиков систем, в которых используются ЭВП, таких как ALQ-99, ALQ-184 и TPS-25, рекомендовано затратить 2–4 млн. долл. на систему. Это позволит улучшить характеристики и повысить надежность систем, а также обеспечить экономию затрат на их эксплуатации в течение прогнозируемого срока службы порядка 30 лет.
Изменится ли положение в электровакуумной промышленности США, покажет будущее. Во всяком случае, предпосылки для дальнейшего развития американской вакуумной электроники имеются. Прежде всего, это сохраняющаяся потребность военных систем в вакуумных приборах, а также появившиеся в последнее время новые технологии обработки и материалы ЭВП.
Литература
1. Abrams R.H. et al. Vacuum Electronics for the 21st Century.– IEEE Microwave Magazine, Sept. 2001, p.61–72.
2. Report of Department of Defense Advisory Group on Electron Devices. – Special Technology Area Review on Vacuum Electronics Technology for RF Applications. Dec. 2000.
3. Levush B. et al. Vacuum Electronics: Status and Trends. – www.radar2007.org.
4. Викулов И. и др. Мощные СВЧ-модули – гибрид вакуумной и твердотельной электроники. Готовится в печати в журнале ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2007, №6.
Электровакуумную промышленность США образуют около 20 компаний. На долю четырех крупнейших из них – Communications and Power Industries, L-3 Communications EDD, Boeing Electron Dynamic и Teledyne Electronic Technologies – приходится примерно 90% всех продаж ЭВП. Эти компании находятся в Калифорнии, в них работают приблизительно 2 тыс. человек. В число национальных лабораторий, поддерживающих вакуумную технологию, входят: Исследовательская лаборатория ВМС (Naval Research Laboratory, NRL), Центр военно-морских вооружений (Naval Surface Warfare Center, NSWC) в Крейне, шт. Индиана, Центр стэнфордского линейного ускорителя (Stanford Linear Accelerator Center, SLAC), Лос-Аламосская национальная лаборатория и Исследовательский центр NASA. Основная организация, руководящая исследованиями и разработками в области вакуумной электроники, – NRL. SLAC и Лос-Аламосская национальная лаборатория поддерживают разработки в интересах Министерства энергетики, а также создание сверхмощных приборов СВЧ (энергетического оружия). Исследования по вакуумной электронике проводятся также в шести вузах США: Массачусетском технологическом институте, двух университетах в Калифорнии (Девиса и Стэнфордский) и трех – в штатах Мэриленд, Висконсин и Мичиган.
В 1989 году объем продаж ЭВП в США достигал 600 млн. долл. (в том числе мощных сеточных ламп – 130 млн. долл.) (рис.1). К 1997 году продажи ЭВП упали до 330 млн. долл. (мощных сеточных ламп – до 80 млн. долл.). В период 1998–2000 годы продажи стабилизировались на уровне 350 млн. долл. От 70 до 75% объема продаж приходится на долю ЭВП военного назначения. Доля продаж продукции европейской электровакуумной промышленности на рынке США составляет ∼13%.
Структура продаж ЭВП в США по типам ламп имеет следующий вид:
Тип ЭВП Доля на рынке, %
Клистроны 18
Приборы М-типа (усилители со скрещенными полями и магнетроны) 10
ЛБВ на связанных резонаторах 20
Спиральные ЛБВ 52
Общее число работающих в промышленности ЭВП США в 1989 году достигало 4800 человек, из них – 750 ученых и инженеров (рис.2). К 2001 году эти цифры снизились, соответственно, до 2200 и 400 человек. Электровакуумная промышленность постоянно теряет опытные кадры. Здесь играет роль и уход их на пенсию, и агрессивный набор специалистов в высокотехнологичные коммерческие отрасли. Промышленности приходится прилагать немало усилий, чтобы привлечь студентов к участию в исследовательских и образовательных программах вузов по специальности ЭВП. К 2001 году дефицит дипломированных специалистов в области вакуумной электроники составлял 18%.
По мнению авторов доклада [2], главная проблема вакуумной электроники в США – недостаточное финансирование разработок со стороны Министерства обороны (рис.3). В 1988 году уровень финансирования МО составил 12,6 млн. долл. (в фиксированных ценах 2001 года). Такой уровень был признан недостаточным. Последовало проведение двух программ: совместного проекта трех родов вооруженных сил "Инициатива вакуумной электроники" (Vacuum Electronics Initiative) в 1990–1995 годы и программы ВМС "Развитие науки и технологии в области вакуумной электроники" (VE S&T) в 1996–2000 годы. Однако после 1995 года финансирование МО сокращалось с каждым годом и в 2001 году составило всего 7,7 млн. долл., что ниже критического порога, необходимого для поддержания вакуумной технологии на уровне, соответствующем потребностям военных систем.
На проведение независимых исследований и разработок (IRAD) вакуумная промышленность ежегодно выделяет от 5 до 7% от объема продаж. Эти средства идут в основном на разработку приборов коммерческого назначения и на совершенствование методов компьютерного моделирования.
ЭВП и военные системы
В 272 электронных системах вооружения всех родов войск США к началу текущего десятилетия использовалось около 185 тыс. ЭВП. По оценкам, эти системы останутся на вооружении страны, по крайней мере, еще 20–30 лет. Это потребует замены или модернизации ряда приборов. К ним добавятся и новые приборы, необходимые для комплектования вновь создаваемых систем.
Военно-воздушные силы США используют 46750 ЭВП в своей аппаратуре, устанавливаемой на различных платформах, в том числе на истребителях (F-15, F-16), беспилотных летательных аппаратах (Predator), бомбардировщиках (В-1В, В-2), ракетах (AMRAAM), комплексах AWACS и других. Для станции контроля воздушной обстановки AN/TPS-75 разработан отказоустойчивый передатчик со сложением мощности нескольких ЛБВ на замедляющей системе "кольцо-стержень". Он заменил менее надежный передатчик на одиночном клистроне.
При создании радиолокатора для летательного аппарата Predator применение вакуумно-полупроводниковых мощных СВЧ-модулей (Microwave Power Modules, MPM), в состав которых входит ЛБВ [4], позволило на три года ускорить разработку системы в целом. Для комплекса AWACS разработан современный широкополосный клистрон, заменивший две узкополосные лампы. Это снизило издержки производства, повысило надежность и упростило замену прибора. Совместно с ВМС проведена предварительная проработка возможности создания передатчика помех JSSJ, летные испытания которого были намечены на 2006 год. Рассматривались конкурирующие концепции: широкополосные (2–18 ГГц) мощные МРМ-модули компании Northrop Grumman и решетка на мощных монолитных схемах фирмы ITT.
ВВС подчеркивают свою заинтересованность в дальнейшем развитии вакуумной технологии, в частности в разработке твердотельных эмиттеров (Solid State Electron Emitter) на основе InP/CdS/LaS для всех типов ЭВП с целью получения "мгновенной" эмиссии электронов с высокой плотностью тока (10–100 А/см2) при низких значениях напряжения модуляции (<20 В). Это исключило бы расход энергии на подогреватель, повысило бы срок службы и надежность приборов.
Сухопутные силы применяют ЭВП в системах обнаружения артиллерийских позиций (мобильная РЛС AN/TPQ-36
и -37 Firefinder), РЛС ПВО (AN/MPQ-64 Sentinel), системах РЭБ (AN/ALQ-211 SIRFC), ракетных головках самонаведения (РАС-I,
-II, -III) и ракетных комплексах ПВО (Patriot). Предусмотрена модернизация этих систем.
На вооружении сухопутных сил находится система AN/TPQ-47 (модернизация Firefinder), представляющая собой гибридную фазированную решетку на основе мощных МРМ-модулей с воздушным охлаждением. При ее разработке усилители на основе SiC-транзисторов не выдержали конкуренции с MPM-модулями.
Для мобильного наземного терминала скрытой помехоустойчивой спутниковой связи SMART-T благодаря более высокой мощности (>50 Вт) также было отдано предпочтение МРМ-модулям мм-диапазона (43,5–45,5 ГГц) перед усилителями на основе GaAs PHEMT. Сейчас ставится задача снижения себестоимости модулей до менее 25 тыс. долл. При модернизации системы защиты вертолетов ALQ-211 SIRFC проводится замена ЛБВ на МРМ-модули, что сократит массо-габаритные параметры и улучшит характеристики передатчика помех.
В настоящее время в ракетных головках самонаведения (ГСН) систем Patriot PAC-III и Medium Extended Defense System (MEADS) используются ЛБВ на связанных резонаторах Ка-диапазона (26–40 ГГц), выпускаемые во Франции фирмой Thales. В заданном частотном диапазоне ЭВП – единственное техническое решение, одновременно удовлетворяющее требованиям по мощности (как импульсной, так и средней) и габаритам. Сейчас компания CPI разрабатывает аналогичную ЛБВ американского производства с импульсной мощностью около 1 кВт, способную работать с очень короткими импульсами при высоком коэффициенте заполнения в условиях ограниченного охлаждения.
Военно-морские силы (NRL) имеют в своем активе разработку гироклистрона на 94 ГГц с импульсной мощностью 100 кВт и средней мощностью 10 кВт в полосе 600 МГц и КПД 33%. Гироклистрон используется в разработанной NRL радиолокационной станции W-диапазона WARLOC.
В свою очередь WARLOC входит в состав радара слежения за спутниками Haystack Ultra-wideband Satellite Imaging Radar, работающего в Х-диапазоне. WARLOC позволяет на порядок повысить разрешение изображения, получаемого радаром Haystack. Ввод комплекса в эксплуатацию в целом планируется на 2008 год [3].
Намечена разработка гироЛБВ диапазона 35 ГГц с полосой 4 ГГц и мощностью 100 кВт для РЛС посадки, а также гиро-ЛБВ с импульсной мощностью 5 кВт и полосой 8 ГГц W-диапазона (96 ГГц) для РЛС космической разведки. В планы NRL входит модернизация корабельной (AEGIS) станции AN/SPY-1, в решетке которой сейчас используются последовательно включенные ЛБВ на связанных резонаторах и усилители М-типа.
В качестве одного из вариантов рассматривается замена таких усилителей многолучевыми клистронами (МЛК) S-диапазона.
По оценкам, это позволит на 12 дБ повысить чувствительность РЛС при сохранении существующей структуры решетки. Расчет электронной пушки и коллектора МЛК выполнялся по трехмерной программе MICHELLE, а расчет клистрона в режиме большого сигнала – по программе TESLA. Импульсная мощность клистрона в S-диапазоне достигла 600 кВт при КПД 40%. Токооседание пучка без СВЧ не превышает 1% и составляет 3% в режиме насыщения. В дальнейшем для повышения КПД и расширения полосы планируется использовать 18-лучевую пушку и дополнительные многозазорные резонаторы [3]. Наибольшее число разработок многолучевых клистронов выполнено в России. Так, НПП "Исток" были созданы МЛК L-, S-, K- и Ku-диапазонов. В последнее время активность в области исследования МЛК наряду с США стали проявлять Франция и Китай [1].
NRL проводит собственную программу развития ЭВП, предусматривающую разработку:
* многолучевых усилителей для мощных малошумящих РЛС;
* линейных и широкополосных усилителей как в виде отдельных приборов, так и в виде МРМ-модулей для систем РЭБ и связи;
* усилителей миллиметрового диапазона на медленных волнах Ка- и W-диапазонов;
* мощных гироусилителей Ка- и W-диапазонов;
* компьютерного моделирования, в том числе создание интегрального пакета программ проектирования ЭВП;
* технологии обеспечивающих субкомпонентов, в том числе материалов (CVD-алмаз, AlN-керамика), электронных эмиттеров (катодов с плотностью тока 10–50 А/см2),диэлектриков, постоянных магнитов на основе редкоземельных материалов и других.
Достигнутые параметры и преимущества ЭВП
Динамика развития электронных СВЧ-приборов представлена на рис.4 и 5. Как видно из рис.5 плотность мощности вакуумных приборов удваивается каждые два года [1, 2]. По состоянию на 2000 год можно отметить следующие наиболее значительные результаты, полученные в США при разработке ЭВП [2].
В области ЛБВ:
* сверхширокополосные (3–18 ГГц) спиральные лампы мощностью 125–200 Вт и с коэффициентом усиления 47 дБ в центре полосы и 27 дБ на краю при КПД 45 и 25%, соответственно (компания L-3 Communications);
* спиральные ЛБВ миллиметрового диапазона мощностью 130 Вт на частоте 44 ГГц при КПД 40% (1995 год, компания L-3 Communications). По последним данным, выходная мощность таких ЛБВ уже достигает 220 Вт [3];
* достижение спиральными ЛБВ для спутников связи КПД более 73% на частоте до 12 ГГц в полосе 500 МГц. Срок службы этих приборов – более 18 лет (150 тыс. ч), наработка на орбите (MTTF) – более 10 млн. ч. По этому показателю они сравнимы или превосходят твердотельные приборы (компания Boeing EDD);
* ЛБВ на свернутом волноводе, развивающие мощность 50–100 Вт в диапазоне от 40 до 52 ГГц. Их конструкция может быть масштабирована в диапазон 85–100 ГГц. Результаты компьютерного моделирования показывают возможность достижения КПД >30% при плавном изменении скорости замедленной волны и многоступенчатом понижающем коллекторе (компания L-3 Communications).
* сверхлинейные спиральные ЛБВ для коммерческих систем связи. Мощность ЛБВ с линеаризатором в полосе 1,8–2 ГГц составляет 200 Вт при соотношении интермодуляционной составляющей третьего порядка и несущей -73 дБ.
В области мощных МРМ-модулей:
* широкополосные модули (3–18 ГГц) мощностью более 100 Вт для систем РЭБ. Дальнейшее развитие систем требует расширения полосы до 2–18 ГГц и увеличения мощности до 200 Вт (компании L-3 Communications и Northrop);
* МРМ-модули объемом не более 800 см3 с выходной мощностью 180 Вт в полосе 4–6 ГГц при КПД 50% и коэффициенте шума 10 дБ (компания Northrop);
* МРМ-модули миллиметрового диапазона с непрерывной мощностью 20–40 Вт во всей полосе 18–40 ГГц. Проводится разработка модулей мощностью 50 Вт. К 2010 году ожидается получить в указанной полосе 100 Вт (компании L-3 Communications и Northrop).
В области клистронов:
* компактные клистроны с распределенным взаимодействием, фокусировкой постоянными магнитами с импульсной мощностью 150 Вт в W-диапазоне и 1,5 кВт в Ка-диапазоне. Ставится задача увеличения их средней мощности и полосы до 4–8% (компания CPI);
* введение многоступенчатых понижающих коллекторов, что позволило увеличить КПД клистронов для систем связи в два раза при их работе в линейном режиме в частотных диапазонах от S до Ка (компания CPI);
* малогабаритный клистрон с импульсной мощностью 100 кВт в W-диапазоне, созданный с помощью немецкой литографической технологии LIGA "Клистрино". Диаметр электронного луча – 0,5 мм, диаметр канала – 0,8 мм, рабочее напряжение – 110 кВ (SLAC);
* клистрон с фокусировкой периодическими постоянными магнитами с импульсной мощностью 75 МВт в Х-диапазоне — энергетическое оружие (SLAC);
* клистрон L-диапазона с выходной импульсной мощностью 1 ГВт при частоте повторения импульсов 5 Гц и длительности 1 мкс (компания SLAC и Лос-Аламосская национальная лаборатория).
В области приборов М-типа:
* легкие малогабаритные коаксиальные магнетроны для ГСН и аэродромных РЛС;
* синхронизированный магнетрон S-диапазона с импульсной мощностью 50 МВт и "усилением" 13 дБ — энергетическое оружие (компания CPI).
В области гироприборов:
* гироЛБВ с импульсной мощностью 100 кВт и средней 10 кВт на частоте 94 ГГц при КПД 30%. Работа выполнена фирмой CPI совместно с NRL, компанией Litton и университетом Мэриленда и является примером успешного компьютерного проектирования с первой попытки;
* гиротронный генератор для энергетических исследований с непрерывной мощностью 1 МВт на частоте 100 ГГц (компания CPI);
* гироклистрон с импульсной мощностью 100 кВт и средней 10 кВт на частоте 94 ГГц (NRL).
Предложения американских экспертов по поддержке развития ЭВП
По мнению американских специалистов, сокращающийся уровень финансирования вакуумной электроники создал угрозу разрушения национальной технологической базы. В аналитическом докладе группы экспертов [2] даются следующие рекомендации по развитию вакуумной технологии.
I. Базовые исследования. Ежегодное финансирование в размере 5 млн. долл. в течение пяти лет для укрепления образовательных и исследовательских программ вузов и индивидуальных конкурсных проектов.
II. Прикладные исследования. Восстановить финансирование в объеме 12 млн. долл. в год для продолжения и расширения работ в области перспективных технологий, в том числе для разработки двух- и трехмерных программ расчета ЭВП, а также создания специальных типов ЭВП:
* сверхширокополосных мощных спиральных ЛБВ;
* спиральных ЛБВ, ЛБВ на связанных резонаторах и клистронов с распределенным взаимодействием миллиметрового диапазона для высокоскоростных систем связи, ГСН и РЛС с синтезированной апертурой для беспилотных летательных аппаратов;
* мощных гироусилителей миллиметрового диапазона для РЛС с высоким разрешением;
* мощных многолучевых клистронов.
Ставится и задача финансирования разработки обеспечивающих технологий, включая новые типы систем взаимодействия, новые технологические материалы, улучшенные эмиттеры, эффективные многоступенчатые коллекторы и высокопервеансные электронные пушки с прецизионной оптикой.
III. Перспективные разработки. Ежегодное финансирование в объеме 10 млн. долл. для подготовки новых приборов к внедрению в системы, в том числе и для улучшения процессов сборки, испытаний на воздействие внешних факторов и повышения надежности. Цель этих работ – снижение стоимости систем и связанных с ними рисков.
IV. Производственная технология. Необходимый уровень финансирования 5–7 млн. долл. в год в течение трех лет. Цель – создание пилотного производства недорогих МРМ-модулей и демонстрация надежности приборов.
VI. Промышленная инфраструктура. Рекомендовано в течение пяти лет отчислять 3 млн. долл. в год на обеспечение ЭВП необходимыми материалами и компонентами, что позволит улучшить параметры и снизить себестоимость приборов.
VII. Действующие системы. Для модернизации передатчиков систем, в которых используются ЭВП, таких как ALQ-99, ALQ-184 и TPS-25, рекомендовано затратить 2–4 млн. долл. на систему. Это позволит улучшить характеристики и повысить надежность систем, а также обеспечить экономию затрат на их эксплуатации в течение прогнозируемого срока службы порядка 30 лет.
Изменится ли положение в электровакуумной промышленности США, покажет будущее. Во всяком случае, предпосылки для дальнейшего развития американской вакуумной электроники имеются. Прежде всего, это сохраняющаяся потребность военных систем в вакуумных приборах, а также появившиеся в последнее время новые технологии обработки и материалы ЭВП.
Литература
1. Abrams R.H. et al. Vacuum Electronics for the 21st Century.– IEEE Microwave Magazine, Sept. 2001, p.61–72.
2. Report of Department of Defense Advisory Group on Electron Devices. – Special Technology Area Review on Vacuum Electronics Technology for RF Applications. Dec. 2000.
3. Levush B. et al. Vacuum Electronics: Status and Trends. – www.radar2007.org.
4. Викулов И. и др. Мощные СВЧ-модули – гибрид вакуумной и твердотельной электроники. Готовится в печати в журнале ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2007, №6.
Отзывы читателей
