МАГНЕТРОНЫ ПОВЕРХНОСТНОЙ ВОЛНЫ – ГЕНЕРАТОРЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДИАПАЗОНА ТЕРАГЕРЦ

February 5, 2013 by admin Комментировать »

в.                                     д. Ерёмка, М. А. Копоть, О. П. Кулагин,

Институт радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова НАН Украины, ул. Академика Проскуры, 12, г. Харьков, 61085, Украина E-mail: yeryomka@ire.kharkov. иа В. Д. Науменко Институт радиоастрономии НАН Украины ул. Краснознаменная, 4, Харьков, 61002, Украина E-mail: naumenko@rian. kharkov. иа

1.                                      Введение

Электромагнитные колебания в интервале частот (0,1- 10,0) ТГц относят к диапазону терагерц. В последние годы осуществляется как поиск новых принципов генерации и усиления электромагнитного излучения в указанном диапазоне, так и совершенствование с помощью современных нанотехнологий известных вакуумных источников миллиметровых волн, в частности, отражательных кпистронов, ЛОВ, оротронов [1-7]. В интервале частот (0,1-0,3) ТГц созданы и находят широкое применение магнетроны поверхностной волны (МПВ) как с термоэлектронным, таки с холодным катодом [8-13].

Целью данной работы является исследование с помощью численного моделирования возможности создания малогабаритных импульсных МПВ с холодным катодом на ТГц – частотах. Такие источники с выходной мощностью сотни мВт – единицы кВт могут найти применение, например, при создании радаров с высоким разрешением, а также в технике настольных ускорителей заряженных частиц, в линиях связи между сверхбыстродействующими компьютерами, в ТГц-устройствах обнаружения химических и биологических реагентов.

2.                              Основная часть

2.1.         Результаты разработки МПВ диапазона ТГц в ИРЭ им. А. Я. Усикова НАНУ и Радиоастрономическом институте НАНУ. МПВ с термоэлектронным катодом были созданы в ИРЭ им. А. Я. Усикова НАН Украины в 60-х годах XX века под руководством И. Д. Трутня в интервале частот (0,1-0,375) ТГц. Параметры этих магнетронов представлены в табл.1. Параметры МПВ с холодным вторично-эмиссионным катодом (ВЭК) и боковым дополнительным термокатодом (ДТК), созданных в ИРЭ НАНУ в интервале частот (01-015) ТГц под руководством И. М. Вигдорчика в 70-х годах представлены в табл.2 (№ 1,2, а созданные в РИ НАНУ под руководством В. Д. Науменко в 1985- 2005 г. г. (№ 3, 4)

2.2.         3-D моделирование МПВ ТГц диапазона. С помощью разработанной математической 3-D модели проведено тестирование характеристик созданных МПВ диапазона ТГц с термоэлектронным катодом. Проведенные численные эксперименты, позволяют проверить адекватность созданной математической модели процессов электронно-волнового взаимодействия в скрещенных полях физическим процессам в реальных МПВ. Результаты тестирования МПВ с термоэлектронным катодом, проведенного с целью получения ответов на ключевые вопросы, касающиеся концепции МПВ диапазона ТГц с оптимальными условиями для эффективного взаимодействия, проявляющимися в их выходной мощности, кпд, стабильности работы, представлены на рис.1 и в табл.1. Сравнение результатов эксперимента физического (ЭФ) и эксперимента численного (ЭЧ) показывают, что применение 3-D модели МПВ будет полезным при разработке экспериментальных образцов МПВ субмиллиметрового диапазона волн.

Рис. 1. Изменение выходной мощности МПВ с ростом числа NSHF периодов СВЧ колебаний на частоте 0,24 ТГц (численный эксперимент)

Fig. 1. Variations in the SWM output power for a growing number NSHF of microwave oscillation periods

at the 0.24GHz frequency (numerical experiment)

Ha рис.2 представлены результаты тестирования экспериментального образца МПВ, генерирующего на частоте 0.375 ТГц. Результаты физического и численного эксперимента (табл.1) имеют удовлетворительное соответствие.

3-D модель МПВ диапазона ТГц. с холодным вторичноэмиссионным катодом находится в стадии разработки.

2.3. МПВ диапазона ТГц на пространственных гармониках в режиме дрейфово-орбитального резонанса. Проведена аналитическая оценка реализации МПВ диапазона ТГц, работающих на пространственных гармониках в режиме орбитальнодрейфового резонанса. Оценки на основе концепции дрейфово-орбитальных резонансов показывают, что для возбуждения автоколебаний в приборах М-типа диапазоне ТГц перспективно применение высокоорбитных электронных пучков, формируемых боковой пушкой [14]. На рис. 3 представлена зависимость рабочей разности потенциалов и^[в) при числе вариаций поля р=27 (число резонаторов N=36);           =1,0                                                                                       мм;

=0,45; /1 = 1,25 мм для высокоорбитного

дрейфово-орбитального резонанса в скрещенных полях при п=1 (непрерывная линия 1). Рабочая мода

–       Ν/4-2     (π/2 -режим). Крупным штрихом на

рис.З обозначена – парабола 2 критических режимов Халла, мелким штрихом 3 – потенциал формирования высокоорбитного электронного пучка [14,15]: Значение Ua (В) рассчитано по формуле:

Как видим результаты данной аналитической оценки характеристик МПВ-ТЧ на частоте 0,24 ТГц не имеют существенных расхождений с результатами физического и численного эксперимента (рис.1., табл.1).

На рис.4 представлены результаты оценки режима работы МПВ, разрабатываемого для – генерации излучения на частоте 0,263 ТГц с выходной мощностью (05-1,0) кВт при P=2Q (N=36); ^^=1,0мм;

Рис.З, 4 иллюстрируют преимущество применения высокоорбитных электронных потоков в приборах М-типа. По сравнению с существующими МПВ мм и субмм диапазона при идентичном числе резонаторов ЗС анодного блока взаимодействие вращающегося трубчатого пучка с полем в режиме дрейфово-орбитального резонанса может быть реализовано при существенно меньших анодном напряжении (почти в 1,5 раза) и магнитном поле (в 3 раза).

Рис. 3. Зависимость                    для высокоорбитного

режима дрейфово-орбитального резонанса в МПВ при п=1 (непрерывная линия).

Штриховая линия – парабола отсечки Халла. Треугольником обозначен режим работы МПВ

Fig. 3. The (5) dependence for the large-orbit mode

of drift-orbital resonance in SWMs at n=1 (continuous cun/e). The dashed line shows the Hull cutoff parabola. The triangle denotes the SWM operating mode (A=1.25mm, Ua=15kV, B=1.01T)

Puc. 4. Зависимость                              высокоорбитного

режима дрейфово-орбитального резонанса в МПВ при п=1 (непрерывная линия). Штриховая линия – парабола отсечки Халла. Треугольником обозначен режим работы экспериментального образца МПВ

Fig. 4. The (5) dependence for the large-orbit mode

of drift-orbital resonance in SWMs at n=1 (continuous cun/e). The dashed line shows the Hull cutoff parabola. The triangle denotes the SWM operating mode (A=1.14mm, Ua=15kV, B=1.1T).

III.                                  Заключение

с помощью численного моделирования определены ориентировочные параметры МПВ субмилли- метрового диапазона. О достоверности созданных 3- D моделей импульсных МПВ свидетельствуют удовлетворительные результаты тестирования действующих лабораторных макетов МПВ диапазона ТГц с термоэлектронными катодами.

Созданные 3-D модели могут быть применены при разработке малогабаритных МПВ диапазона ТГц с холодным вторичноэмиссионным катодом.

Концепция дрейфово-орбитальных резонансов в МПВ также позволяет тестировать основные параметры МПВ диапазона ТГц. И может быть применена при создании магнетронов субмиллиметрового диапазона волн на пространственных гармониках.

IV.                         Список литературы

[1]   .        Электроника и радиофизика миллиметровых и субмил- лиметровых радиоволн / Под ред. А. Я. Усикова. – Киев: Наук, думка, 1986.-336с.

[2]   .        Лампы обратной волны миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов волн / Е. М. Гершензон,

М. Б. Голант, А. А. Негирев, В. С. Савельев. Под ред.

Н.        Д. Девяткова. М.: Радио и связь. 1985. 136 с.

[3]   .        Клинотрон I Г. Я. Левин, А. И. Бородкин,

А. Я. Кириченко. А. Я. Усиков. С. А. Чурилова I Под ред.

А.        Я. Усикова. АН Украины. ИРЭ. -Киев.: Наукова думка.

1992.        200с.

[4]   .        V. I. Bratman, В. S. Dumesh, А. Е. Fedotov, F. S Rusln. «Millimeter and Submillimeter Wave Orotron with Broadband Frequency Tuning». The 28th Int. Conf. on Infrared and Millimeter Waves. Conf. Dig. Ed.: N. Hiromoto. Shiga. Japan., pp.257-258, 2003.

[5]   .        R. Lawrence Ives. «Microfabrication of High-Frequency Vacuum Electron Devices». IEEE Trans. On Plasma Science/Vol.32, No3, pp.1277-1291, 2004.

[6]   .        Seong-Tae-Han, Seok-Gy Jeon, Yeong-Mln Shin, Kyu-Ha Jang, JIn-kyu So, Jong-Hyun Kim, Suk-Sang Cnang, and

Gun-Sik Park. «Experimental investigations on IVIiniaturized High-Frequency Vacuum Electron Devices», IEEE Trans. On Plasma Science/Vol.33, No2, pp.679-684, 2005.

[7]    .           K. H. Jang, S. G. Jeon, J. K. So, J. I. Kim, Y. M. Sliin,

J. 14. Won and G. S. Park. «Experimental investigations on High Order Mode Reflex Klystron using cold cathode».

IVEC / IVESC 2006. Conf. Dig. Monterey, CA, USA, April 25-27,2006. -P. 189-190.

[8]    .       Ерёмка В. Д., Кулагин О. П., Науменко В. Д. «Разработка и исследование магнетронов в Институте радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова и Радиоастрономическом институте НАН Украины» Радиофизика и электроника. – Харьков: Ин-т радиофизики и электроники НАН Украины. Том. 9. Спец. вып. pp. 42-67, 2004.

.               Гоицаенко С. В., Ерёмка В. Д., Копоть М. А., Кулагин О. П., Науменко В. Д., Суворов А. Н. «Многорезона- торные магнетроны с холодным вторично-эмиссионным катодом: достижения, проблемы, перспективы» Радиофизика и электроника. – Харьков: Ин-т радиофизики и электроники НАН Украины. – 2005. Т.10, спец. вып. С. 3-37.

[9]    .       Naumenko V. D., Suvorov А. N., and Sirov А. P. «Tunable magnetron of a two-millimeter-wavelength band»/ Microwave and Optical Technology Letters. – 1996. – 12, No3. – P. 129-131.

[10]  .       Naumenko V. D., Schunemann K. and. VavrivD. M. «Miniature 1 kW, 95 GHz magnetrons» Electronics Letters.- 1999, V. 35, No22/-. – P. 1960-1961.

2003.       .       Моисеенко A. E., Науменко В. Д., Суворов А. Н., Сыров А. Р. «Магнетрон на частоту 94 ГГц с большим сроком службы» /Радиофизика и радиоастрономия. -.8, № 4. – С. 421-428.

[11]  .       Naumenko V. D., Semenuta V. У., VavrivD. М., and Voikov V. А. «ММ-wave transmitters using magnetrons with cold secondary-emission cathode» Proc. of MSMW98 Symposium. Kharkov, Ukraine, September 15- 17.- 1998.-P.76-81.

[12]  .       Kuiagin O. P., Yeryomka V. D. «The Large-Orbit M-type Oscillator with the Adiabatic Electron-Optical System» IEEE Trans. Plasma Science. -2002. -vol.30. No 6. – P.2107-2112.

[13]  .       Kuiagin O. P., Yeryomka V. D. «Optimal Conditions for Drift-Orbital Resonance in M-type Devices» IEEE Trans. Plasma Science, vol.32, 3, pp. 1181-1186, June, 2004.

SURFACE-WAVE MAGNETRONS: ELECTROMAGNETIC RADIATION OSCILLATORS IN THZ RANGE

V. D. Yeryomka, M. A. Kopot’, O. P. Kulagin Usikov Institute for Radiophysics and Electronics, National Academy of Sciences of Ukraine,

12 Akademika Proskury St., Kharkiv, 61085, Ukraine e-mail: yeryomka@ire. kharkov. ua.

V. D. Naumenko Institute of Radio Astronomy,

National Academy of Sciences of Ukraine,

4 Krasnoznamennaya St., Kharkiv, 61002, Ukraine e-mail: naumenko@rian. kharkov. ua

Surface-wave magnetrons (SWM) having both thermionic and cold cathodes [5-9] have been developed and find extensive applications in the 0.1·ί·0.3ΤΗζ frequency range.

The present paper is focused on the possibility of designing small-size pulsed cold-cathode SWMs for THz frequencies using 3D numerical simulation. Such sources with an output power varying between hundreds of mW and units of kW may be employed, for example, in the development of high- resolution radars, as well as in the desktop charged-particle accelerator technology, in communication links between ultraspeed computers, and in THz devices to detect chemical and biological agents.

The results of numerical SWM-TF concept analysis which has been performed to address the key issues related to the oscillator design, its output power, efficiency, and operating stability are shown in Figures 1 and 2. The mm- and submm SWMs designed under the supervision of Dr. I. D. Truten at the Usikov IRE NASU in the 1960s have been tested using the developed 3D model. Results of physical (ФЭ) and numerical (ЧЭ) experiments are presented in Table 1.

Figures 3 and 4 illustrate the advantage of using high-orbit electron beams in M-type devices compared to the existing mm- and submm SWMs having the identical number of cavities in the anode unit slow-wave structure. The interaction between the rotating tubular beam and microwave field in the drift-orbital resonance mode may be achieved at significantly lower (almost 1.5 times) anode voltages and at three times weaker magnetic fields.

Таблица 1 / Table 1.

Рабочая частота,

ТГц

Число

резонаторов,

N

Число

вариаций,

Р

Рабочее

напряжение,

кВ

Рабочий ток, А

Рабочее магнитное поле, Тл

Выходна

мощность

кВт,

КПД,

%

ФЭ

ЧЭ

ФЭ

ЧЭ

ФЭ

ЧЭ

ФЭ

ЧЭ

ФЭ

ЧЭ

ФЭ

ЧЭ

ФЭ

ЧЭ

ФЭ

ЧЭ

0,1

0,1

24

15

20

0,625

30

12

0,136

28

13

12,4

12,5

0,8

9,0

5,8

0,24

0,24

36

36

27

27

15

15

12

12

1.01

1.1

1,0

1,1

0,375

0,375

44

44

35

35

12

11.4

14

14,5

1.1

1.14

1,0

1,0

0,6

0,6

Таблица 2 / Table 2.

N

Рабочая частота, ГГц

Число резонаторов,

N

Число

вариаций,

Р

Рабочее напряжение, кВ

Рабочий ток, А

Рабочее магнитное поле, Тл

Выходная

мощность

кВт,

КПД,

%

ФЭ

Ч

Э

ФЭ

ЧЭ

ФЭ

ЧЭ

ФЭ

ЧЭ

ФЭ

ЧЭ

ФЭ

ЧЭ

ФЭ

ЧЭ

ФЭ

ЧЭ

1

0,1

24

18

18

16

0,750

23

8

2

0,136

28

21

12,7

11,5

0,800

10

7

3

0,1

24

19

13,3

8,5

0,700

14

12

4

0,1

28

22

6,5

5,0

0,750

1

3

Рис.2. Изменение с ростом числа NSHF периодов СВЧ колебаний: а) – рабочего тока;

Б) – выходной мощности: В) – КПД.

Fig. 2. Variations in microwave oscillation periods with a growing number of NSHF:

A) operating current; B) output power; C) efficiency

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