АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ УСИЛЕНИЯ МНОГОЧАСТОТНОГО СИГНАЛА В КОАКСИАЛЬНОЙ ЗАМЕДЛЯЮЩЕЙ СТРУКТУРЕ

February 27, 2013 by admin Комментировать »

Галайдыч К. В., Марков П. И., Сотников Г. В. ННЦ «Харьковский физико-технический институт» ул. Академическая, 1, г. Харьков, 61108, Украина тел.: 335-66-23, e-mail: sotnikov@kipt.kharkov.ua

Аннотация – Исследованы характерные максимальные значения амплитуд волн в зависимости от энергии электронного пучка при многочастотном режиме возбуждения коаксиальной замедляющей структуры. Определены спектры выходных сигналов. Рассчитаны значения максимального к. п. д. (по потерям), а так же к. п. д. для случаев наилучшего усиления всех волн.

I.                                       Введение

Существует необходимость в изучении и разработке широкополосных СВЧ приборов, которые могут эффективно работать одновременно на нескольких частотах [1], так как подобные устройства представляют интерес для различных приложений. Коаксиальная линия передачи с гребенками на обоих проводниках является одной из замедляющих структур, в которой возможно возбуждение интенсивных СВЧ – колебаний в широком частотном диапазоне. На дисперсионной кривой, описывающей собственные колебания данной структуры, имеется относительно широкий линейный участок. В связи с этим электронный пучок может одновременно резонансно взаимодействовать с большим числом волн. В одномодовом приближении усиление в данной замедляющей структуре было рассмотрено ранее [2].

II.                              Основная часть

Fig. 2. Output signal spectrum for the best variant of amplification: A-4, В-13 harmonics

Целью данной работы являлось исследование амплитудно-частотных характеристик усиления многочастотного сигнала в коаксиальной замедляющей структуре. Сопротивления связи, волновые числа и частоты собственных волн для численных расчетов были взяты из результатов работы [2]. Геометрические размеры структуры [3] обеспечивали необходимое для взаимодействия с пучком замедление волн в диапазоне Он-3,6 ГГц.

Puc. 2. Спектр выходного сигнала для лучшего варианта усиления: А- 4, В -13 гармоник.

Для описания нелинейной стадии усиления электронным пучком собственных волн коаксиальной замедляющей линии передачи воспользуемся уравнениями для усредненных по поперечному сечению амплитуд гармоник продольного электрического поля и уравнений движения для частиц пучка [4]. Будем предполагать, что частоты возбуждаемых волн кратны некоторой частоте (частота основной волны). Тогда для исследования многочастотного режима возбуждения получим систему нелинейных уравнений [3].

На рис.1 приведены результаты численных расчетов в случае усиления в вакуумной коаксиальной линии четырех волн с частотами 2,16 ГГц, 2,4 ГГц, 2,64 ГГц и 2,88 ГГц. Начальная амплитуда гармоник 25 В/см. Пучок моноэнергетический, немодулирован- ный, ток пучка 5А.

Из рис.1 видно, что низкочастотные волны, по сравнению с высокочастотными, возбуждаются при больших значениях энергии электронного пучка. Самая высокочастотная волна превышает все остальные практически на всем промежутке изменения энергии пучка. Существуют области энергий, при которых имеет место конкуренция между гармониками, а также области, в которых поля гармоник достигают приблизительно одинаковых значений.

Рис. 1. Характерные максимальные значения амплитуд 4-х волн при изменении энергии пучка.

Fig. 1. Characteristic maximal values of amplitudes of 4 waves at beam energy change

Ha рис. 2 приведены спектры выходных сигналов для 4 (А) и 13 (В) волн. Эти спектры соответствуют случаям наилучшего усиления, которыми мы считаем варианты, когда все гармоники достигают характерных максимальных значений при одном и том же значении продольной координаты (при приемлемом значении к. п. д. по потерям пучка, т. е. 15 – 30 %).

Начальная амплитуда гармоник 25 В/см, энергия пучка 42 кэВ, значение продольной координаты для случая А – 125 см, для В – 167,5 см. Вид слектров на рис.2 подтверждает возможность одновременного усиления большого числа волн. Причем, лри увеличении числа волн усиливаются, в большей степени, края спектра.

На рис.З приведены графики зависимости к. п. д. по потерям от количества гармоник соответствующие двум важным, с практической точки зрения, случаям: когда к. п. д. по потерям достигает максимального значения и к. п. д. по потерям для случаев наилучшего усиления.

Рис. 3. Зависимость к. п. д. по потерям от количества гармоник. (1)- максимальное значение к. п. д. (2)-к. п. д. для случаев наилучшего усиления всех гармоник.

Fig. 3. Efficiency versus harmonics number: (1)- maximai efficiency value; (2)- efficiency for the best simultaneous amplification of all harmonics

Из графиков, приведенных на рис.З следует, что на всем рассматриваемом интервале количества усиливаемых волн как максимальное к. п. д., так и к. п. д. для случаев наилучшего усиления всех гармоник, имеют высокое значение, и на интервале от 4 до 13 гармоник слабо изменяются.

III.                                  Заключение

Численный анализ многочастотного режима возбуждения коаксиальной замедляющей структуры показывает перспективность такой линии передачи для создания СВЧ – приборов, способных работать одновременно на нескольких частотах.

IV.                           Список литературы

[1] Кураев А. А., Лукашевич Д. В., Синицын А. К. Многочастотные режимы работы лампы бегущей волны со спиральной замедляющей системой. 10-я Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо’2000). Севастополь, Ills сент. 2000 г.: Материалы конференции. Севастополь: «Вебер», 2000. с. 188-189.

[2] Сотников Г. В. Усиление колебаний в плазменной коаксиальной линии передачи. Физика плазмы 2001, том 27 № 6, с. 509-518.

[3]  Галайдыч К. В., Марков П. И., Сотников Г. В. Нелинейная динамика многочастотного режима возбуждения коаксиальной замедляющей структуры. 15-я Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо’2005). Севастополь, 12-16 сент. 2005 г.: Материалы конференции. Севастополь: «Вебер», 2005. с. 677-678.

[4]  Вайнштейн Л. А. Лекции по сверхвысокочастотной электронике. – М.: Советское радио, 1973.

AMPLITUDE-FREQUENCY CHARACTERISTICS OF MULTIFREQUENCY SIGNAL AMPLIFICATION IN COAXIAL SLOW-WAVE TRANSMISSION LINE

Galaydych K. V., Markov P. I., Sotnikov G. V.

Kharkov Institute of Physics and Technology, National Science Center

Akademicheskaya str.1, Kharkov, 61108, Ukraine Ph.:(057)335-66-23, e-mail: sotnikov@kipt.kharkov.ua

Abstract – Characteristic maximal values of wave amplitudes are investigated depending on electron beam energy at multifrequency mode of excitation of coaxial slow-wave transmission line. Output signals spectra are determined. We have calculated both maximal efficiency (losses) and efficiency for the best amplification of all waves.

I.                                         Introduction

Broadband microwaves devices operate effectively simultaneously at several frequencies. Coaxial transmission line with combs on both conductors is one ofthe slow-wave where excitation of intensive microwaves in a wide frequency band takes place.

There is rather wide linear range on the dispersive curve describing eigen oscillation of the given structure. Electron beam can interact simultaneously effectively with the great number of waves.

II.                                        Main Part

In order to describe nonlinear stage of waves amplification by electron beam in coaxial slow-wave structure, let us use the equations [3]. We shall suppose, that frequencies of excited waves are multiple to some frequency (frequency of a fundamental wave).

The purpose of the given work was to research amplitude- frequency characteristics of multifrequency signal amplification in the given slow-wave structure. Coupling resistances, wave numbers and frequencies of eigen waves for numerical calculations have been taken from [2]. The results of numerical simulation of multifrequency signal amplification are shown in Fig.1-Fig.3.

III.                                       Conclusion

Numerical analysis shows availability of transmission line proposed for creation of microwave devices, operating simultaneously at several frequencies. Moreover, numerical calculations show that increasing the number of waves leads to great extension of spectrum edges.

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