ГЕНЕРАЦИЯ В ОРОТРОНЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ КОЛЕБАНИЙ КОРОТКОВОЛНОВОЙ ЧАСТИ МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА ВОЛН НА 2-й ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ГАРМОНИКЕ

January 28, 2013 by admin Комментировать »

Мясин Е. А., Ильин А. Ю., Евдокимов В. В., Чигарев С. Г. Фрязинский филиал Института радиотехники и электроники Российской академии наук Фрязино, пл. Введенского д. 1, Московская обл. тел. (495) 785 – 5639 д.14-54, e-mail: eami68@ms.ire.rssi.ru

Аннотация – Рассмотрен вопрос о возможности эффективной генерации излучения терагерцового диапазона частот в оротроне на высших пространственных гармониках открытой периодической структуры (ОПС). Экспериментально показана возможность генерации в оротроне электромагнитных колебаний коротковолновой части миллиметрового диапазона волн на второй пространственной гармонике ОПС.

I.                                       Введение

Развитию элементной базы терагерцового диапазона, особенно разработке и созданию источников этого излучения, в настоящее время уделяется всё большее внимание [1]. Из-за специфических особенностей этого диапазона источники О – типа можно разделить на две группы: высоковольтные и низковольтные. В каждой из них на пути создания приборов возникают свои трудности. Для первой группы они связаны в основном с созданием источников интенсивных электронных потоков и в меньшей степени с преодолением трудностей по созданию мелкоразмерных ОПС [2]. Для второй группы приборов создание мелкоразмерных ОПС, особенно для непрерывных режимов работы, является основной проблемой. В этой связи работа на высших пространственных гармониках ОПС на наш взгляд представляется перспективным решением этой проблемы.

II.                              Основная часть

в работе [3] рассмотрен вопрос о формировании пространственных гармоник в двухзеркальном открытом резонаторе (ОР) оротрона и основное внимание уделено оптимизации ОЭДС на первой пространственной гармонике. При этом везде рассматривается вариант открытой периодической структуры (ОПС) в виде четверть волновой «гребёнки».

Однако, как показывают результаты экспериментов (в том числе и авторов работы [3]), генерация в оротроне может быть реализована в диапазоне частот порядка октавы. Поэтому представляет интерес исследовать изменение геометрии ОПС по диапазону более подробно.

Пример такого исследования приведен на рисунках 1 и 2. На рис.1 представлены зависимости амплитуд 5-ти первых пространственных гармоник от заполнения d/l, где d – это ширина канавки (щели), I – период гребёнки при глубине канавки (высоте гребня) bi = 0,2λ, где λ – длина волны. В отличие от случая оптимального для работы на первой пространственной гармонике, исследованного авторами [3], когда 2-я пространственная гармоника вообще отсутствует, можно видеть, что, во-первых, при всех d/l, кроме d/l = 0,5, она присутствует, и, во-вторых, достигает максимума как при больших, так и при меньших значениях d/l, причём имеет место разница амплитуд в этих максимумах.

d/l

Рис. 1. Амплитуды пространственных гармоник при глубине канавки Ь=0,2Х.

Fig. 1. The space harmonic amplitudes for groove depth b=0,2X

Ha рис. 2 представлены зависимости амплитуд тех же гармоник от глубины канавки Ь при d/l = 0,1. Сравнивая зависимости рисунков 1 и 2, приходим к выводу, что оптимальной для работы на высших пространственных гармониках является ОЭДС с заполнением d/l = 0,1 или близкое к нему.

Split deep, b/λ

Рис. 2. Амплитуды пространственных гармоник при d/l = 0.1.

Fig. 2. The space harmonic amplitudes for dA =0.1

В качестве первого шага, исходя из сказанного выше, была создана двухрядная ОПС, которая имела период I = 0,6мм, заполнение d/l = 0,25, а глубину канавки 0,25мм.

При этом, хотя зависимость амплитуд гармоник такой ОПС от глубины канавки при Ь = 0,25λ и имеет ярко выраженный резонансный максимум, однако разница в 30 % сохраняется только между амплитудами 1ой и 2ой гармоник (см. рис. 2). В соответствии с этим возбуждение генерации при правильно выбранных параметрах всей ОЭДС следует ожидать на

2-     й гармонике.

Выбор величины периода был продиктован двумя обстоятельствами. Во-первых, мы исследовали ранее

[4]   оротрон, который работал на первой пространственной гармонике с ОПС, имеющей такой же период, но с заполнением d/l = 0,5 и с глубиной канавки Ь = 0,5мм, во-вторых, была исследована работа оротрона с периодом 0,3 мм, заполнением 0,5 и глубиной канавки Ь = 0,5 мм. Это давало возможность более детально провести сравнение работы приборов, работающих на первой и второй гармониках.

Созданный макет оротрона имел в качестве ОЭДС полусферический ОР, на плоском зеркале которого помещалась гребенчатая ПС. В качестве фокусирующего зеркала использовались сферические зеркала с двумя различными радиусами кривизны Ri = 93 мм и R2= 170 мм.

Так как геометрия пространства взаимодействия оротрона была такой же, как в оротронах, работающих на первой пространственной гармонике, то диапазон рабочих напряжений должен был соответствовать диапазону прибора с периодом 0,3 мм. Так и оказалось в эксперименте. На рис.З представлены зависимости выходной мощности (в относительных единицах) и напряжения от частоты для оротрона со сферическим зеркалом, имеющим радиус кривизны Ri=93 мм и ОПС с периодами 0,6 мм и 0,3 мм при Ь =

0,          5мм и с периодом 0,6мм и Ь = 0,25мм.

Рис. 3. Зависимости мощности и напряжения от частоты.

Fig. 3. Output power and voltage \/s frequency

Из анализа этих зависимостей следует, что диапазон частот генерации перекрывает практически весь 2мм диапазон и начало 1 мм диапазона. При этом низкочастотная (НЧ) граница перестройки совпадает с НЧ границей оротрона с ОПС при периоде 0,3 мм (она в обоих случаях ограничена диапазоном изменения напряжения источника питания), а ВЧ граница соответствует существенно более высоким частотам, что можно объяснить меньшей глубиной канавки (0,25 мм, а не 0,5 мм). Эта тенденция ещё более выражена в оротроне с R2 = 170 мм, что можно объяснить увеличением радиуса каустики на плоском зеркале и, как следствие, длины взаимодействия.

III. Заключение

Показана перспективность работы низковольтных приборов этого класса с ОЭДС, оптимизированной дя работы на высших пространственных гармониках, при продвижении в терагерцовый диапазон частот.

IV.                           Список литературы

[1]  Myasin Ye. А., Evdokimov V. V., Ilyin А. Yu., TchigarevS. G. Joint 30"’ Int. Confer. On Infrared and Millimeter Waves and 13"’ Int. Confer. On Terahertz Electronics. Williamsburg, Virginia, USA. Sept. 19-23. 2005. Confer. Dig. P.506-507.

[2]  G. Doucas, J. H. Mulvey, M. Omori, J. Walsh et al. First Observation of Smith-Purcell Radiation from Relativistic Electrons. Phys. Rev. Letters.1992. V.69. № 12. p.1761.

[3]  Русин Ф. С., Богомолов Г. Д. Электроника больших мощностей. 1968. Вып. 5. С.38. Изд-во «Наука», М.

[4]  Мясин Е. А., Евдокимов В. В., Ильин А. Ю., Чигарев С. Г. Радиотехника и электроника. 2005. Т.50. № 8. С. 991-996.

OPERATION OF THE SHORT- MILLIMETER-WAVE OROTRON ON THE SECOND SPACE HARMONIC

Myasin E. A., Ilyin A. Yu.,

Evdokimov V. V., ChigarevS. G.

Institute of Radioengineering and Electronics RAS Fryazino, Vvedenskogo sq.,1, 141190, Russia Ph.: (495)785-5639(14-54) e-mail: eam168@ms.ire. rssi. ru

Abstract – The possibility of terahertz generation in orotron operating on high-order space harmonics is considered. Experimental results for orotron operation on the second space harmonic in short-wave part of millimeter wavelength band are presented.

I.                                         Introduction

Two problems in the development of 0-type terahertz devices can be traced. As far as high-voltage devices are considered, the main problem is the creation of intense electron beam sources [2]. For the low-voltage devices the great problem is development of fine-size periodic structures, especially for con- tinuous-wave operation [1].

II.                                        Main Part

In [3] the optimal first space harmonic operation of orotron containing 2-mirror open resonator (OR) and open periopdic structure (OPS) as λ/4 grating is considered. As the frequency tuning of orotron may achieve an octave value it is interesting to investigate the influence of OPS geometric parameters in details. Fig. 1 shows the dependence of space harmonics amplitudes on d/I ratio for the first 5 harmonics for b=0.2X (here d is the width of grating split, I – its period, b – the height of grating comb, λ – the generation wavelength). Fig. 2 shows the dependencies of these space harmonic amplitudes on b/λ ratio for d/l=0.1. Analysis (Fig. 1 and Fig. 2) allows to consider that for high-order harmonic orotron operation the optimal OPS is the OPS with d/I -0.1 or near that value. The first step to verify this conclusion was the experiment with two-row OPS with 1=0.6 mm, d/l=0.25and b=0.25 mm. The selection of such period value was based on our two preceding experiments [4]. In both cases the generation on the first space harmonic was observed. So we could compare in details the orotron operation on the 1st and the 2nd space harmonics. In Fig. 3the experimental dependencies of output power and voltage on frequency are shown for device with OR having spherical mirror curvature radius Ro =93 mm.

III.                                       Conclusion

It is shown that the low-voltage orotron devices may be efficient in terahertz band when their OPS parameters are optimized for high-order space harmonic operation.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

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