Выход

Вход

ПУ И

Питание

Ц пупи

1 - минимальная длина теплового моста, м; F-площадь поперечного сечения мостов, л; А/° - разность температур на теплом и холодном концах мостов.

Из формулы (7.2) следует, что суп1ественное уменьшение теплопритокоп Q, может быть достигнуто различными путями при оптимальной длине мостов /, определяемой конструкцией блока и криостатом.

Прежде всего отметим, что вместо волноводов необходимо применять входные и выходные коаксиальные и полосковые линии уменьшенного сечения с тонкими металлическими стенками. Некоторое повышение затухания при этом может быть полностью скомпенсировано выбором технологии покрытия охлаждаемых трактов.

Хорошие результаты получаются при создании охлаждаемых блоков без внешних трактов генераторов накачки и гетеродинов. Это достигается применением на базе охлажденного твердого тела генераторов СВЧ, размещаемых внутри криостата (рис. 7.1). Такие генераторы, обеспечивающие при температуре жидкого азота необходимую стабильность частоты и амплитуды и заданную выходную мощность, могут быть разработаны не только на основе охлажденных транзисторов и туннельных диодов, но и при использовании динамического отрицательного сопротивления р-п перехода в лавинно-пролетном диоде, возникающего при больших напряжениях обратного смещения. Если требуется повышенная стабильность частоты охлажденного генератора, то для стабилизации может быть применен охлаждаемый кварцевый резонатор или сверхпроводящий резонатор.

Рис. 7.1. Блок-схема охлаждаемого приемного устройства СВЧ с охлаждаемыми генератором накачки Гн и гетеродином Гу-.

АС-криостат; Ф - входной фильтр; ЯУ -входной усилитель с ферритовым устройством; См - смеситель.

Некоторые методы совмещения трактов генератора накачки и входного сигнала могут быть проиллюстрированы конструктивными схемами на рис. 7.2. Исключительно большое значение приобретают бесконтактные переходы всех трактов (с разрывом по металлической части входных и выходных линий), выполненные в крышке криостата. В качестве материалов для указан-

Bxod \ сигнала

Вход сигнала

Вход накачки L

/с-Н

Рис. 7.2. Схемы совмещения тракта сигнала охлажденного усилителя У и тракта внешнего генератора накачки: РФя- режекторный фильтр иа частоте накачки, ЯФс - режекторный фильтр иа частоте сигнала:

а - генератор накачки подключен к волноводу, являющемуся центральным проводником коаксиальной лннии сигнала; б -коаксиальная линия сигнала и накачки совмещены; в - тракт накачки н сигнала с различной поляризацией; г -выступ П-волновода сигнала служит волноводом накачки.

ных тепловых мостов целесообразно использовать пластмассу с металлическим покрытием или тонкостенные волноводы и коаксиальные линии, изготовленные из металлов с низкой теплопроводностью (мельхиор, нержавеющая сталь, нейзильбер).

Остальные теплопритоки Q2, Q3, Q4 и Q5 выражения (7.1) определяются по формулам, приведенным ниже [2].

Теплопритоки, обусловленные лучистым теплообменом между наружной и внутренней поверхностью криостата, будут

[woj [lOOj

ккал час

(7.3)

где 3(, - постоянная Стефана-Больцмана, равная 4,9 к:тл/м-час-°К~; s -степень черноты (для внутренних обечаек криостата, выполненных из нержавеющей стали, е;:=; л 0,048);

Гвн - поверхность внутренней обечайки, м;

температура теплой и холодной поверхностей (наружной и внутренней обечайки криостата).

Теплопритоки через крышку криостата

т,=зог°к,

Г, = 77° К

Q3 = FkA/°

ккал час

(7.4)

где /г,; -толщина крышки криостата;

Fk - площадь поперечного сечения крышки; К - коэффициент теплопроводности материала крышки.

Тепло, выделяемое охлажденными устройствами блока, обычно обусловлено рассеянием мощности накачки (примерно 50-200 мет) и гетеродина (1-5 мет) и определяется как

д,~2(Ю жбщ = 200-8(Ю-10- = 0,172

ккал час

Теплопритоки за счет остаточных газов в вакуумной полости

(7.5)

где р-коэффициент, который для воздуха равен 0,38-lOS Рост -остаточное давление (обычно порядка 10~* мм рт. ст.);

7ep = ф = I90,5°K;

ДГ = 225°К.

Величина рост связана с шириной вакуумного зазора d между обечайками следующей зависимостью [3]:

ci=.3,91.10-V-,.

Конструкция охлажденного блока с учетом всех теп-лопритоков должна быть выполнена таким образом, чтобы кожух блока, выполняя функции криостата, одновременно обеспечивал электромагнитную экранировку охлаждаемых радиоустройств и жесткое виброусюйчи-вое крепление всех элементов.

При установке радиоблока на космическом объекте надобность в криостате может отпасть. В этом случае понижение температуры блока может быть достигнуто размещением его вне приборных отсеков в непосредственном контакте с космическим пространством. Если принять меры защиты блока от воздействия внешних тепловых лучей, то для охлаждения необходимо, чтобы тепло излучения внешней поверхностью элементов блока превышало теплопритоки к блоку. При рациональном размещении блока на поверхности объекта основным видом теплопритоков будет тепло, выделяемое полупроводниковыми элементами блока под воздействием генераторов. Время, в течение которого произойдет полное охлаждение блока до температуры статического равновесия с окружающей космической средой, зависит также от удельной теплоемкости материала устройств блока, массы охлаждаемого блока, степени черноты его поверхности и общей площади поверхности. Несмотря на кажущуюся простоту, многие вопросы создания таких блоков весьма сложны, проблематичны и здесь не рассматриваются.

Для облегчения эксплуатации блока в земных условиях в криогенной установке желательно предусмотреть возможность работы как в режиме замкнутого цикла (когда азот непрерывно циркулирует в системе без дополнительной заливки), так и в режиме разомкнутого цикла, когда хладоагент после отдачи холода испаряется в атмосферу.

Для подвижного варианта, естественно, особенно важны требования по габаритам, весу и потребляемой мощности.

Многие з этих достаточно протмворечивых требова-инп учтены при разработке конкретных радпоблоков, охлаждаемых до температуры жидкого азота. Общий вид одного из таких блоков, представляющего собой охлаждаемое приемное устройство диапазона СВЧ, в металлическом кожухе-крностате, изображен на рис. 7.3.

Рис. 7.3. Общий вид охлаждаемого приемного устройства диапазона СВЧ с криостатом /, блоком питания 2 и пультом контроля и управления 3.

Конструктивные особенности блока, когда он используется в качестве широкополосного высокочувствительного усилителя-преселектора с элементами дуплексера, видны из рис. 7.4. Крышка криостата / одновременно является опорой для всех элементов блока, соединительные волноводы выполнены из нержавеющей стали, стержни элементов перестройки 2 резонаторов усилителя изготовлены из текстолита и вращаются в герметичных подшипниках в крышке криостата. Герметичность крышки обеспечивается специальными прокладками, зажимаемыми при монтаже блока. Для предотвращения конденсации влаги внутри волноводов и резонаторов примене-

иы прокладки из тефлона. Охлажденный полосовой фильтр дуплексера 3, подключенный ко входу селективного четырехплечного циркулятора 4, имеет вместе с циркулятором при 7 80°К температуру шума порядка 10° К. В блоке предусмотрено два выхода: один на частоте сигнала ]\ для присоединения к коаксиальному

Выход fz

Рис. 7.4. Общий вид охлаждаемой части блока приемного устройства СВЧ.

охлажденному смесителю или к неохлажденному последующему каскаду, другой -на разностной частоте /? многорезонаторного ПУ. Для использования второго выхода в тракте разностной частоты установлен охлажденный ферритовый вентиль, усилитель при этом одновременно работает в двух режимах: на отражение и на проход с преобразованием частоты \\ в U-

Основные электрические характеристики охлаждаемого приемного блока изображены на рис. 7.5. Селек-