ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕСТРОЙКИ ЧАСТОТЫ ОРОТРОНА Змм ДИАПАЗОНА ВОЛН СО СЛАБОРЕЛЯТИВИСТСКИМ ЭЛЕКТРОННЫМ ПОТОКОМ

May 13, 2012 by admin Комментировать »

Мясин Е. А., Ильин А. Ю., Евдокимов В. В., Чигарев С. Г. Институт радиотехники и электроники РАН, Фрязинский филиал Пл. Введенского, 1, г. Фрязино, Московской обл. -141190, Россия Тел.: (095)5269154; e-mail: еат168@ms.ire.rssi.ru

Аннотация – Проведено экспериментальное исследование оротрона со слаборелятивистским электронным потоком, перестраиваемым в диапазоне 78ГГц – 100 ГГц. Исследование проведено для двух различных сферических зеркал и для трёх разных значений отношения периода к высоте пролётного канала двухрядной периодической структуры. Проведено сравнение результатов эксперимента с теоретической оценкой энергетических параметров [1].

I.  Введение

В последнее время наметился всё возрастающий интерес к разработке и созданию источников коротковолновой части миллиметрового диапазона волн (КВЧММДВ) с повышенным уровнем мощности излучения, в том числе импульсного действия с не слишком высоким рабочим напряжением. Это обусловлено тем, что источники непрерывного излучения этого диапазона имеют недостаточный уровень мощности для целого ряда применений. Из современных импульсных источников КВЧММДВ О-типа "рекордсменом" являются генераторы с распределённым взаимодействием фирмы Varian. Так в работе [2] приведены параметры генератора на частоту 225,445 ГГц, используемого в качестве источника излучения для РЛС, с выходной мощностью 60Вт в импульсе длительностью 50-500 нсек, и напряжением 12кВ. Однако, эти приборы не могут перестраиваться в широкой полосе частот и к тому же дороги. Поэтому в данной работе была предпринята первая попытка на пути продвижения в этот диапазон импульсного эффективного оротрона со слаборелятивистским электронным потоком.

II.  Основная часть

/ГГц

Р,кВт

КПД, %

U,кВ

I.A

J,

А/см2

10

53

35

13

11.6

50

35.3

11.6

18.3

20.1

3.15

90

90

1.2

6

20

1

100

Поэтому мы начали с исследования диапазона механической перестройки мощного оротрона 3 мм диапазона, чтобы одновременно с этим ещё раз сопоставить с экспериментом, теоретические прогнозы по поводу некоторых важных элементов конструкции прибора Но при этом наряду с максимальным диапазоном перестройки хотелось получить и энергетические параметры не хуже тех, которые приведены в Таблице 1. Не вызывает сомнений, что для достижения этой цели должна использоваться двухрядная

Рис. 1 / Fig. 1

Нами накоплен многолетний опыт по созданию экспериментальных макетов таких приборов в сантиметровом и миллиметровом диапазонах волн, включая 3 мм диапазон [2], но не перестраиваемых по частоте. Результаты этих исследований представлены в Таблице 1.

периодическая структура (ПС) [3]. Как следует из теории [3], для реализации эффективных режимов работы оротрона необходимо выполнить ряд условий. Перечислим основные из них: короткая длина ПС L ~ 20 I, где I – период ПС; в то же время в открытом резонаторе (ОР) должен возбуждаться основной тип колебаний TEMooq и L ~ 4гк, где гк– радиус каустики этого колебания; высота ОР не более q=10, но при этом достаточно большая величина нагруженной добротности, где q – число полуволн между зеркалами ОР, пролётный канал 2Н < I /л и, наконец по возможности большая крутизна нарастания ВЧ поля, т.е. гк ~Х. Однако, по мере укорочения длины волны приходится увеличивать L до 5гк и более, делать гк ~Тк и т.д. Наибольший интерес представляет выяснить (при прочих равных условиях) зависимость эффективности электронно-волнового взаимодействия от отношения I /2Н и оценить предельное значение этого отношения, которое можно реализовать с помощью наших технических решений. Поэтому Змм прибор имел период I =0,85мм, число периодов N =30 и первоначально 2Н = 0,3мм, а I /2Н =2,8. Затем 2Н изменялся до 0,25мм и, наконец, до 0,2мм, a I/2H до 3,4 и 4,25 соответственно. Высота катода h, определяющая толщину плоского электронного потока, была во всех экспериментах 0,2мм. При этом эксперименты были проведены с разными сферическими зеркалами, имеющими апертуры Di = 32мм, D2 = 26мм и радиусы кривизны Ri = 65мм, R2=93mm. Наилучшие результаты были получены с первым зеркалом и 2Н = 0,2мм в диапазоне перестройки от 78ГГц до ЮОГГц при изменении напряжения от 15,ЗкВ до 24,5кВ при токе на коллектор 0,75А – 0,8А. Амплитуд- но-частотные характеристики (АЧХ) для различных значений q этого прибора приведены на рис 1.

Если сравнить полученные результаты с результатами, приведенными в третьей строке Таблицы 1, то следует отметить, что максимальная выходная мощность Р=430Вт на частоте f = 88ГГц в 2,5 раза меньше. Однако, она получена при меньшем рабочем токе и, что ещё более важно, при существенно меньшей плотности тока с катода, всего порядка ЗОА/см2 Последнее обстоятельство даёт весьма серьёзную надежду на возможность создания эффективного 3 мм прибора при более низком напряжении и с квазинепрерывным режимом работы. Выходную мощность и одновременно КПД 3 мм прибора можно, в принципе, увеличить, если рабочий ток в пролётном канале 2Н= 0,2мм увеличить до 1А. Как видно из АЧХ на рис.1, верхняя граница перестройки ограничена частотой ЮОГГц, которая достигается при напряжении 24,5кВ. Это связано с тем, что пусковой ток генерации при этом напряжении оказывается лишь незначительно меньше достижимого рабочего тока. Изменения выходной мощности по диапазону не монотонно и определяется параметрами ПС и ОР, но, тем не менее, при переходе, например, с q=7 на q=8 обеспечивает в полосе 22,5% при средней частоте 88ГГц уменьшение выходной мощности на краях диапазона перестройки не более чем в 4,7раза от максимальной.

Представляет интерес сравнить, хотя бы качественно, полученные экспериментальные результаты с теоретической оценкой энергетических параметров одного из вариантов конструкции этого прибора, которая была проведена в [1]. Хотя расчёты проведены для случая с пролётным каналом 0,3 мм и сферическим зеркалом D2= 26 мм и R2=93 мм, а выше приведены более хорошие результаты для другого случая, общая тенденция изменения мощности рабочего тока и напряжения по диапазону у них одна и та же. Почти полное совпадение с расчётными значениями демонстрируют только значения напряжения на н.ч. и на в.ч. границах перестройки при параметре несинхронности Ь~0,1, который соответствует максимальной величине мощности в эксперименте. Что касается изменения мощности и КПД по диапазону, то они существенно различаются. Связано это с тем, что при расчёте не учитывалось изменение пускового тока при изменении напряжения и длины волны, а предполагалось, что отношение рабочего тока к пусковому току постоянно и не меньше 2. В эксперименте пусковой ток на частоте 78ГГц составлял 0,5 А, а на частоте ЮОГГц 0,7 А поэтому и выходная мощность по диапазону уменьшается от н.ч. к в.ч. границе перестройки. Резонансное увеличение мощности на частотах 88ГГц – 91 ГГц связано с резонансными свойствами ПС. Выходную мощность и одновременно КПД 3 мм прибора можно, в принципе, увеличить, если рабочий ток в пролётном канале 2Н=0,2мм увеличить, хотя бы, до 1 А. Из эксперимента следует, что для эффективного электронно-волнового взаимодействия отношение I /2Н должно быть больше 4, а не л, как следует из теории.

III.  Заключение

Таким образом, показана возможность широкодиапазонной перестройки эффективного оротрона 3 мм диапазона и получена важная информация относительно некоторых элементов конструкции прибора, необходимая для создания оротрона КВЧММДВ.

IV.  Список литературы

1. Е. А. Мясин, А. Ю. Ильин, В. В. Евдокимов, С. Г. Чигарев. Материалы конференции КрыМиКо 2003. С. 278.

2. Robert W. McMillan, С. Ward Trussel at all. IEEE Transactions on microwave theory and techniques, vol. 39, no. 3, March 1991, p. 555.

3. Мясин E. А. Радиотехника N2, 2004, с. 22.

EXPERIMENTAL RESEARCH INTO FREQUENCY TUNING OF A 3MM OROTRON WITH A WEAKLY RELATIVISTIC ELECTRON STREAM

Myasin Ye. A., Ilyin A. Yu.,

Yevdokimov V. V., Chigarev S. G.

Fryazino Branch, Institute of Radio Engineering and Electronics, Russian Academy of Sciences

1  Vvedenskogo Square, Fryazino,

Moscow Region, 141190, Russia phone: +7 095 5269154, e-mail: earn 168@ms.ire. rssi. ru

Abstract – An experimental study of orotron tuning over a 78-100GHz frequency range has been carried out for two values of spherical mirror radii and three values of interaction space heights. A two-row periodic structure (PS) has been used and the comparison of experimental results with previous theoretical calculations has been made.

I.  Introduction

In recent years the development of high-power pulse sources in a short mm-wave range has attracted considerable interest. This is due to the fact that the available continuousmode sources offer insufficient output power for certain applications and also lack frequency tuning. This paper presents the first attempt at using orotrons in a near 1 mm-wave range.

II.  Main part

Our previous experience in a cm and mm-wave orotron development for fixed frequencies is summarized in Table 1. The current work was aimed at attaining wide mechanical frequency tuning of orotrons while providing power parameters achieved earlier. According to theoretical predictions [3], certain preconditions are required for this purpose: 1) short PS length L ~ 20 I, where I is the PS period; 2) a TEM0oqtype main oscillation with a caustic radius rk = L/4; 3) intermirror distance of the order of 10X/2; 4) large value of loaded Q; 5) interaction space height of 2H < l/я; 6) sufficiently steep HF field increase (rk~ X). Thus the 3-mm device parameters were as follows: the PS period I = 0.85mm; PS period number N = 30; cathode width h = 0.2mm; interaction space height 2H = 0.3, 0.25, and 0.2mm. Experimental dependences of output power on frequency for 2H = 0.2mm and different TEM0oq modes are shown in Fig. 1.

The comparison of experimental results with theoretical estimates [1] shows good agreement for operating voltage at both tuning range extremes, while the output power values and electron efficiency behavior across the orotron tuning range vary considerably. This may be attributed to an increase in starter current at the high frequency edge, as well as to the PS resonance properties.

III.  Conclusions

The possibility of a wide frequency tuning for a high-power 3mm orotron is shown. Important data has been obtained on a number of design parameters that might be applied to the development of an efficient near-1mm device.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии»

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты