eng
Выпуск #5/2023
А. Мирошниченко, М. Чернышев, Н. Акафьева
ТРЕХЗАЗОРНЫЙ МНОГОЧАСТОТНЫЙ РЕЗОНАТОР ДЛЯ МИНИАТЮРНЫХ МНОГОЛУЧЕВЫХ КЛИСТРОНОВ
ТРЕХЗАЗОРНЫЙ МНОГОЧАСТОТНЫЙ РЕЗОНАТОР ДЛЯ МИНИАТЮРНЫХ МНОГОЛУЧЕВЫХ КЛИСТРОНОВ
Просмотры: 534
DOI: 10.22184/1992-4178.2023.226.5.74.80
Исследовался трехзазорный, многолучевой, призматический клистронный резонатор с планарными полосковыми элементами на диэлектрической подложке. Получены результаты, которые подтверждают, что резонатор может применяться в низковольтных пролетных многолучевых усилительных или генераторных клистронах.
Исследовался трехзазорный, многолучевой, призматический клистронный резонатор с планарными полосковыми элементами на диэлектрической подложке. Получены результаты, которые подтверждают, что резонатор может применяться в низковольтных пролетных многолучевых усилительных или генераторных клистронах.
Теги: electrodynamic simulation multibeam klystron three-gap resonator многолучевой клистрон трехзазорный резонатор электродинамическое моделирование
Трехзазорный многочастотный резонатор для миниатюрных
многолучевых клистронов
А. Мирошниченко, д. т. н.1, М. Чернышев 2, Н. Акафьева, к. т. н.3
Исследовался трехзазорный, многолучевой, призматический клистронный резонатор с планарными полосковыми элементами на диэлектрической подложке. Получены результаты электродинамического моделирования, проведенного с использованием численного метода конечных элементов в частотной области. Резонатор может применяться в низковольтных пролетных многолучевых усилительных или генераторных клистронах.
Многолучевые клистроны (МЛК) получили широкое распространение в микроволновой технике, они обеспечивают высокую выходную мощность, широкий диапазон усиливаемых частот при сниженном, по сравнению с однолучевыми аналогами, ускоряющем напряжении и массогабаритных параметрах [1–5]. Наряду с этим получают дальнейшее развитие миниатюрные многолучевые клистроны (ММЛК), которые могут использоваться в качестве выходного каскада в передающих модулях для средств телекоммуникации с выходной мощностью от 400 до 1 000 Вт в X-, Ku-, Ka-диапазонах [6, 7].
На выходные параметры и характеристики пролетного клистрона, такие как полоса усиливаемых частот, выходная мощность, коэффициент усиления, массогабаритные характеристики, существенное влияние оказывают конструкция и свойства резонансных систем.
Для эффективного взаимодействия с электронным потоком эквивалентное сопротивление резонатора Re = ρQн, где ρ – характеристическое сопротивление резонатора, Qн – его нагруженная добротность, должно быть сравнимо с сопротивлением электронного пучка на постоянном токе R0. Так как добротность Q ограничена шириной полосы пропускания, в верхней части сантиметрового и миллиметровом диапазоне необходимо применять резонаторы с большим значением ρ [8].
Теоретически характеристическое сопротивление резонатора пропорционально числу зазоров, однако на практике эта пропорциональность нарушается из-за энергии, накапливаемой в элементах связи высокочастотных зазоров. Кроме того, при увеличении числа зазоров ухудшается разделение видов колебаний. Наиболее приемлемое решение в этом случае – использование двух- или трехзазорных резонаторов.
Кроме того, для получения новых свойств резонансных систем, в частности расширения частотного диапазона, увеличения характеристического сопротивления, уменьшения массогабаритных параметров, возможно применение в резонаторе планарных полосковых проводников, размещенных в корпусе резонатора на диэлектрической подложке. Планарные полосковые структуры на диэлектрических подложках в настоящее время активно применяются в вакуумной микроволновой электронике. Примером может служить работа [9], где представлен низковольтный генератор, работающий в миллиметровом диапазоне на базе лампы обратной волны с использованием ленточного электронного пучка и планарной встречно-штыревой замедляющей системы, выполненной на подложке из кварца. Для применения в таких резонансных системах могут быть полезны новые диэлектрические материалы из высокодобротной керамики с низкими потерями и относительной диэлектрической проницаемостью от 10 до 120, из которых изготавливают диэлектрические резонаторы (ДР) [10, 11].
Однако в таких материалах может проявляться температурная зависимость относительной диэлектрической проницаемости материала (ТКεr), что может привести к температурной зависимости резонансной частоты ДР. Этот недостаток может быть нивелирован за счет изменения диэлектрической проницаемости и геометрических размеров при взаимной компенсации температурных уходов частоты.
Еще одна проблема заключается в «сгущении» частотного спектра ДР. Однако и в этом случае, особенно на высших типах колебаний, есть положительный момент, связанный с большей локализацией поля внутри диэлектрического тела и уменьшением радиационных потерь.
Несмотря на достаточно широкое использование СВЧ диэлектрических материалов в различных микроволновых устройствах, в резонансных системах приборов клистронного типа они практически не исследованы.
Цель исследований, представленных в настоящей работе, электродинамическое моделирование призматического трехзазорного резонатора с полосковыми проводниками на диэлектрической подложке, а также оценка его возможного применения в многолучевых низковольтных клистронах.
Конструктивные особенности резонатора
Исследуемый резонатор представлен на рис. 1. Объемный призматический корпус 1 закрыт с торцов боковыми крышками 2. Внутри призматического объемного корпуса расположены два центральных электрода 3 и два боковых электрода 4, между которыми расположены три высокочастотных зазора 5. Центральные электроды опираются на три диэлектрических опорных элемента (подложки) 6, с двух сторон которых симметрично расположены планарные полосковые проводники 7. Диэлектрические подложки, на которых размещены планарные полосковые проводники, расположенные под углом 120 градусов друг относительно друга в корпусе резонатора. Планарные полосковые проводники электрически соединены, с одной стороны, с центральными электродами, с другой стороны – они заземлены на корпус призматического резонатора. В результате образуется резонансная система, состоящая из индуктивной части планарных полосковых проводников, нагруженных на емкость высокочастотных зазоров, которая возбуждается как на противофазных, так и на синфазных типах колебаний. Кроме этого, в подобных резонаторах также присутствуют и объемные моды, частота которых определяется геометрическими размерами корпуса резонатора. Основные размеры резонатора представлены в табл. 1.
Результаты электродинамического моделирования
Теоретическое исследование резонатора проводилось с использованием метода конечных элементов в частотной области. При исследовании резонатора рассматривались только те резонансные частоты, которые имели высокое характеристическое сопротивление, и высокочастотное поле которых было локализовано в зазорах резонатора.
Результаты моделирования представлены в табл. 2. Расчет электродинамических параметров производился в диапазоне до 20 ГГц для двух толщин диэлектрической подложки 1 и 3,2 мм, соответствующих условно «тонкой» и «толстой» подложке. Для всех мод были рассчитаны основные электродинамические параметры резонатора: резонансная частота, собственная добротность, характеристическое сопротивление. Также проведен анализ высокочастотных полей в зазорах.
По полученным результатам можно сделать следующие выводы. При увеличении толщины диэлектрика происходит уменьшение всех рассмотренных резонансных частот. При этом происходит «сгущение» трех основных рабочих мод – π, 3π / 2 и 2π. При толщине диэлектрика 1 мм разнос частот между π- и 3π / 2‑модами составляет 0,763 ГГц, а при толщине 3,2 мм – 0,702 ГГц. Разнос частот между 3π / 2- и 2π-модами составляет при толщине 1 мм 1,93 ГГц, а при толщине 3,2 мм – 1,13 ГГц.
Также можно отметить, что собственная добротность при увеличении толщины диэлектрика для π-моды изменяется слабо, а для 3π / 2- и 2π-мод возрастает на 43 и 51% соответственно. Для высшей 3π / 2‑моды увеличение добротности составляет 79%. Такую разницу можно объяснить локализацией высокочастотных полей, например, при основной π-моде ВЧ-поле сконцентрировано в основном в зазорах резонатора и слабо подвержено влиянию диэлектрика, а, например, 2π-мода является «объемной», поля которой расположены по всему объему резонатора.
Характеристическое сопротивление при увеличении толщины диэлектрика для π-моды возрастает на 21%, для 2π-моды – на 80%. Для 3π / 2‑моды характеристическое сопротивление уменьшается на 34%. Для высшей 3π / 2‑моды характеристическое сопротивление уменьшается на 25%. При этом для этой моды характеристическое сопротивление по абсолютному значению существенно меньше, чем на основных модах.
На рис. 2 представлены S-параметры для исследованных резонансных частот. Результаты получены для диэлектрических подложек толщиной 3,2 мм.
Проведено исследование распределения высокочастотного электрического поля вдоль пространства взаимодействия резонатора, результаты представлены на рис. 3, где Ez / Em – относительная напряженность продольной компоненты высокочастотного электрического поля, Em – максимальное значение поля для синфазного типа колебаний, H – высота резонатора. Показано, что наибольшая амплитуда высокочастотного электрического поля наблюдается на 2π-моде, с неравномерностью в зазорах не более 13%. Для противофазной π-моды наблюдается наибольшая напряженность в центральном зазоре резонатора, неравномерность поля в зазорах достигает 45%. 3π / 2‑мода и высшая 3π / 2‑мода имеют амплитуду поля существенно ниже по сравнению с π- и 2π-модами при этом поле отсутствует в центральном зазоре резонатора и практически однородно в крайних зазорах.
В работе исследован многочастотный режим работы резонатора и возможность настройки на кратные резонансные частоты. На рис. 4 представлены зависимости резонансных частот от длины элемента перестройки: F0 для мод π, 3π / 2, 2π и F4/3 для высшей моды 3π / 2 (F0 и F4 / 3 резонансные частоты на низших и высших гармониках). Для исследования режима перестройки частот резонатора производилось «закорачивание» полосковой линии 7 с помощью дополнительного полоскового элемента длиной l0 − l1 (см. рис. 4). В результате проведенных исследований по перестройке частот можно отметить, что наибольшей чувствительностью к изменению длины элемента перестройки обладают π- и 2π-моды (814 и 588 МГц) соответственно. У 3π / 2‑моды и высшей 3π / 2‑моды такое изменение значительно меньше – 35 и 117 МГц соответственно.
Для возможного применения резонатора в приборах с умножением частоты был исследован режим работы на кратных резонансных частотах. При этом подбором длины элемента перестройки удалось получить кратность резонансных частот, равную трем для моды № 1 (π) и высшей моды № 4 (3π / 2). Такой режим может быть реализован при длине перестроечного элемента (l0–l1 = 0,83 мм) (см. рис. 4).
Влияния на электродинамические параметры резонатора диэлектриков различных типов
Проведено исследование основных электродинамических параметров резонатора при различных значениях диэлектрической проницаемости диэлектрика подложки, на которых размещены полосковые линии. В частности, исследовалось поведение резонансных частот и собственной добротности. При этом значения диэлектрической проницаемости выбирались с учетом применения этих материалов в вакуумной микроволновой технике (алюмооксидная керамика, алмаз). Исследования проводились для диэлектрической подложки толщиной 1 и 3,2 мм. Результаты представлены на рис. 5.
По результатам исследований можно сделать следующие выводы.
Общая тенденция для всех мод такова, что резонансные частоты уменьшаются при увеличении диэлектрической проницаемости подложки и увеличении толщины подложки. Для π- и 3π / 2‑мод при малых ε значения резонансных частот практически равны при разной толщине диэлектрика, далее при увеличении диэлектрической проницаемости для «толстого» диэлектрика уменьшение резонансной частоты происходит быстрее, чем для «тонкого» (разница частот на π-моде 798 МГц, на 3π / 2‑моде – 924 МГц). Для 2π-моды при малых значениях ε частоты при «толстом» и «тонком» диэлектрике не равны между собой (разница 788 МГц, которая увеличивается до 1 770 МГц при √–ε = 4,06).
Для собственной добротности наблюдается в целом уменьшение параметра при возрастании диэлектрической проницаемости и увеличение при возрастании толщины диэлектрика, причем влияние на разные моды существенно отличается. Собственная добротность резонатора на π-моде меняется слабо при разных толщинах диэлектрика (максимальная разница на начальном участке, где ΔQ0 = 91. При этом на 3π / 2- и 2π-модах наблюдается значительное расхождение характеристик при разных толщинах диэлектрика. Наибольшая разница между значениями добротности наблюдается при малых значениях ε, и составляет 580 на 3π/2‑моде и 1 253 на 2π-моде. При этом для 2π-моды значение добротности уменьшается больше при росте диэлектрической проницаемости по сравнению с π- и 3π / 2‑модами.
* * *
Исходя из полученных результатов исследований, можно заключить, что рассмотренный резонатор обладает многочастотным спектром колебаний, в котором в исследуемом диапазоне присутствуют моды: противофазная, синфазная и 3π / 2. Использование дополнительных резонансных элементов на диэлектрических подложках внутри объемного резонатора позволяет также получить ряд новых свойств, таких как увеличенное характеристическое сопротивление и добротность. Исследована возможность настройки резонатора на кратные резонансные частоты с кратностью, равной трем.
Рассмотренный в работе трехзазорный, многоканальный, многочастотный резонатор может найти применение в низковольтных многолучевых приборах клистронного типа C-, X-, Ku-диапазонов. Такие клистроны могут быть перспективной электронной компонентной базой для создания миниатюрной телекоммуникационной радиоэлектронной аппаратуры, работающей в средневолновой и коротковолновой частях СВЧ-диапазона в системах космического применения и на подвижных объектах. Возможно также применение подобных резонаторов в умножителях частоты, работающих в двухчастотном режиме генерации.
Литература
Nusinovich G. S., Levush B., Abe D. K. A review of the development of Multiple-beam Klystron and TWTs; Research report, Naval Research Laboratory, USA, March, 2003.
Cai J. C., Syratchev I., Burt G. Design Study of a High-Power Ka-Band High-Order-Mode Multibeam Klystron // IEEE transactions on electron devices. 2020. Vol. 67. No. 12.
Teryaev V. E., Shchelkunov S. V., Hirshfield J. L. Innovative Two-Stage Multibeam Klystron: Concept and Modeling // IEEE transactions on electron devices. 2020. Vol. 67. No. 7.
Quangui Chao, Rui Zhang, Yong Wang, Xu Zhang. Modeling and Design of a High-Efficiency Multibeam Klystron // IEEE transactions on electron devices. 2022. Т. 69. № . 5. С. 2625–2630.
Bin Shen, Yaogen Ding, Zhaochuan Zhang, Honghong Gu, Haibing Ding, Jing Cao, Caiying Wang, and Dongping Gao. Research and Development of S-Band High Power Multibeam Klystron // IEEE transactions on electron devices. 2014. Vol. 61. No. 6.
Korolev A. N., Zaitsev S. A., Pobedonostsev A. S., Rumjantsev S. A., Torbik V. M., Zakurdayev A. D., Sazonov B. V. The Results of the Complex Investigation and Optimization of the Transmitting Modules, Using the Miniature Multibeam Klystrons and TWTs.
Kotov A. S., Gelvich E. A., Zakurdayev A. D. Small-size complex microwave devices (CMD) for onboard applications // IEEE transactions on electron devices. 2007. Vol. 54. No. 5. PP. 1049–1053.
Григорьев А. Д. Терагерцевая электроника. М.: ФИЗМАЛИТ, 2020. 308 с.
Ryskin N. M., Torgashov R. A., Benedik A. I. Study of miniaturized low-voltage backward-wave oscillator with a planar slow-wave structure // Izvestiya VUZ. Applied Nonlinear Dynamics. 2017. Vol. 25. Is. 5. PP. 35–46.
Геворкян В., Кочемасов В. Объемные диэлектрические резонаторы – основные типы, характеристики, производители // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2016. № 4 (00154). С. 62–76.
ВЧ и СВЧ керамические материалы и микроволновые элементы. Каталог продукции ООО «Керамика». СПб, 2004. 35 с.
многолучевых клистронов
А. Мирошниченко, д. т. н.1, М. Чернышев 2, Н. Акафьева, к. т. н.3
Исследовался трехзазорный, многолучевой, призматический клистронный резонатор с планарными полосковыми элементами на диэлектрической подложке. Получены результаты электродинамического моделирования, проведенного с использованием численного метода конечных элементов в частотной области. Резонатор может применяться в низковольтных пролетных многолучевых усилительных или генераторных клистронах.
Многолучевые клистроны (МЛК) получили широкое распространение в микроволновой технике, они обеспечивают высокую выходную мощность, широкий диапазон усиливаемых частот при сниженном, по сравнению с однолучевыми аналогами, ускоряющем напряжении и массогабаритных параметрах [1–5]. Наряду с этим получают дальнейшее развитие миниатюрные многолучевые клистроны (ММЛК), которые могут использоваться в качестве выходного каскада в передающих модулях для средств телекоммуникации с выходной мощностью от 400 до 1 000 Вт в X-, Ku-, Ka-диапазонах [6, 7].
На выходные параметры и характеристики пролетного клистрона, такие как полоса усиливаемых частот, выходная мощность, коэффициент усиления, массогабаритные характеристики, существенное влияние оказывают конструкция и свойства резонансных систем.
Для эффективного взаимодействия с электронным потоком эквивалентное сопротивление резонатора Re = ρQн, где ρ – характеристическое сопротивление резонатора, Qн – его нагруженная добротность, должно быть сравнимо с сопротивлением электронного пучка на постоянном токе R0. Так как добротность Q ограничена шириной полосы пропускания, в верхней части сантиметрового и миллиметровом диапазоне необходимо применять резонаторы с большим значением ρ [8].
Теоретически характеристическое сопротивление резонатора пропорционально числу зазоров, однако на практике эта пропорциональность нарушается из-за энергии, накапливаемой в элементах связи высокочастотных зазоров. Кроме того, при увеличении числа зазоров ухудшается разделение видов колебаний. Наиболее приемлемое решение в этом случае – использование двух- или трехзазорных резонаторов.
Кроме того, для получения новых свойств резонансных систем, в частности расширения частотного диапазона, увеличения характеристического сопротивления, уменьшения массогабаритных параметров, возможно применение в резонаторе планарных полосковых проводников, размещенных в корпусе резонатора на диэлектрической подложке. Планарные полосковые структуры на диэлектрических подложках в настоящее время активно применяются в вакуумной микроволновой электронике. Примером может служить работа [9], где представлен низковольтный генератор, работающий в миллиметровом диапазоне на базе лампы обратной волны с использованием ленточного электронного пучка и планарной встречно-штыревой замедляющей системы, выполненной на подложке из кварца. Для применения в таких резонансных системах могут быть полезны новые диэлектрические материалы из высокодобротной керамики с низкими потерями и относительной диэлектрической проницаемостью от 10 до 120, из которых изготавливают диэлектрические резонаторы (ДР) [10, 11].
Однако в таких материалах может проявляться температурная зависимость относительной диэлектрической проницаемости материала (ТКεr), что может привести к температурной зависимости резонансной частоты ДР. Этот недостаток может быть нивелирован за счет изменения диэлектрической проницаемости и геометрических размеров при взаимной компенсации температурных уходов частоты.
Еще одна проблема заключается в «сгущении» частотного спектра ДР. Однако и в этом случае, особенно на высших типах колебаний, есть положительный момент, связанный с большей локализацией поля внутри диэлектрического тела и уменьшением радиационных потерь.
Несмотря на достаточно широкое использование СВЧ диэлектрических материалов в различных микроволновых устройствах, в резонансных системах приборов клистронного типа они практически не исследованы.
Цель исследований, представленных в настоящей работе, электродинамическое моделирование призматического трехзазорного резонатора с полосковыми проводниками на диэлектрической подложке, а также оценка его возможного применения в многолучевых низковольтных клистронах.
Конструктивные особенности резонатора
Исследуемый резонатор представлен на рис. 1. Объемный призматический корпус 1 закрыт с торцов боковыми крышками 2. Внутри призматического объемного корпуса расположены два центральных электрода 3 и два боковых электрода 4, между которыми расположены три высокочастотных зазора 5. Центральные электроды опираются на три диэлектрических опорных элемента (подложки) 6, с двух сторон которых симметрично расположены планарные полосковые проводники 7. Диэлектрические подложки, на которых размещены планарные полосковые проводники, расположенные под углом 120 градусов друг относительно друга в корпусе резонатора. Планарные полосковые проводники электрически соединены, с одной стороны, с центральными электродами, с другой стороны – они заземлены на корпус призматического резонатора. В результате образуется резонансная система, состоящая из индуктивной части планарных полосковых проводников, нагруженных на емкость высокочастотных зазоров, которая возбуждается как на противофазных, так и на синфазных типах колебаний. Кроме этого, в подобных резонаторах также присутствуют и объемные моды, частота которых определяется геометрическими размерами корпуса резонатора. Основные размеры резонатора представлены в табл. 1.
Результаты электродинамического моделирования
Теоретическое исследование резонатора проводилось с использованием метода конечных элементов в частотной области. При исследовании резонатора рассматривались только те резонансные частоты, которые имели высокое характеристическое сопротивление, и высокочастотное поле которых было локализовано в зазорах резонатора.
Результаты моделирования представлены в табл. 2. Расчет электродинамических параметров производился в диапазоне до 20 ГГц для двух толщин диэлектрической подложки 1 и 3,2 мм, соответствующих условно «тонкой» и «толстой» подложке. Для всех мод были рассчитаны основные электродинамические параметры резонатора: резонансная частота, собственная добротность, характеристическое сопротивление. Также проведен анализ высокочастотных полей в зазорах.
По полученным результатам можно сделать следующие выводы. При увеличении толщины диэлектрика происходит уменьшение всех рассмотренных резонансных частот. При этом происходит «сгущение» трех основных рабочих мод – π, 3π / 2 и 2π. При толщине диэлектрика 1 мм разнос частот между π- и 3π / 2‑модами составляет 0,763 ГГц, а при толщине 3,2 мм – 0,702 ГГц. Разнос частот между 3π / 2- и 2π-модами составляет при толщине 1 мм 1,93 ГГц, а при толщине 3,2 мм – 1,13 ГГц.
Также можно отметить, что собственная добротность при увеличении толщины диэлектрика для π-моды изменяется слабо, а для 3π / 2- и 2π-мод возрастает на 43 и 51% соответственно. Для высшей 3π / 2‑моды увеличение добротности составляет 79%. Такую разницу можно объяснить локализацией высокочастотных полей, например, при основной π-моде ВЧ-поле сконцентрировано в основном в зазорах резонатора и слабо подвержено влиянию диэлектрика, а, например, 2π-мода является «объемной», поля которой расположены по всему объему резонатора.
Характеристическое сопротивление при увеличении толщины диэлектрика для π-моды возрастает на 21%, для 2π-моды – на 80%. Для 3π / 2‑моды характеристическое сопротивление уменьшается на 34%. Для высшей 3π / 2‑моды характеристическое сопротивление уменьшается на 25%. При этом для этой моды характеристическое сопротивление по абсолютному значению существенно меньше, чем на основных модах.
На рис. 2 представлены S-параметры для исследованных резонансных частот. Результаты получены для диэлектрических подложек толщиной 3,2 мм.
Проведено исследование распределения высокочастотного электрического поля вдоль пространства взаимодействия резонатора, результаты представлены на рис. 3, где Ez / Em – относительная напряженность продольной компоненты высокочастотного электрического поля, Em – максимальное значение поля для синфазного типа колебаний, H – высота резонатора. Показано, что наибольшая амплитуда высокочастотного электрического поля наблюдается на 2π-моде, с неравномерностью в зазорах не более 13%. Для противофазной π-моды наблюдается наибольшая напряженность в центральном зазоре резонатора, неравномерность поля в зазорах достигает 45%. 3π / 2‑мода и высшая 3π / 2‑мода имеют амплитуду поля существенно ниже по сравнению с π- и 2π-модами при этом поле отсутствует в центральном зазоре резонатора и практически однородно в крайних зазорах.
В работе исследован многочастотный режим работы резонатора и возможность настройки на кратные резонансные частоты. На рис. 4 представлены зависимости резонансных частот от длины элемента перестройки: F0 для мод π, 3π / 2, 2π и F4/3 для высшей моды 3π / 2 (F0 и F4 / 3 резонансные частоты на низших и высших гармониках). Для исследования режима перестройки частот резонатора производилось «закорачивание» полосковой линии 7 с помощью дополнительного полоскового элемента длиной l0 − l1 (см. рис. 4). В результате проведенных исследований по перестройке частот можно отметить, что наибольшей чувствительностью к изменению длины элемента перестройки обладают π- и 2π-моды (814 и 588 МГц) соответственно. У 3π / 2‑моды и высшей 3π / 2‑моды такое изменение значительно меньше – 35 и 117 МГц соответственно.
Для возможного применения резонатора в приборах с умножением частоты был исследован режим работы на кратных резонансных частотах. При этом подбором длины элемента перестройки удалось получить кратность резонансных частот, равную трем для моды № 1 (π) и высшей моды № 4 (3π / 2). Такой режим может быть реализован при длине перестроечного элемента (l0–l1 = 0,83 мм) (см. рис. 4).
Влияния на электродинамические параметры резонатора диэлектриков различных типов
Проведено исследование основных электродинамических параметров резонатора при различных значениях диэлектрической проницаемости диэлектрика подложки, на которых размещены полосковые линии. В частности, исследовалось поведение резонансных частот и собственной добротности. При этом значения диэлектрической проницаемости выбирались с учетом применения этих материалов в вакуумной микроволновой технике (алюмооксидная керамика, алмаз). Исследования проводились для диэлектрической подложки толщиной 1 и 3,2 мм. Результаты представлены на рис. 5.
По результатам исследований можно сделать следующие выводы.
Общая тенденция для всех мод такова, что резонансные частоты уменьшаются при увеличении диэлектрической проницаемости подложки и увеличении толщины подложки. Для π- и 3π / 2‑мод при малых ε значения резонансных частот практически равны при разной толщине диэлектрика, далее при увеличении диэлектрической проницаемости для «толстого» диэлектрика уменьшение резонансной частоты происходит быстрее, чем для «тонкого» (разница частот на π-моде 798 МГц, на 3π / 2‑моде – 924 МГц). Для 2π-моды при малых значениях ε частоты при «толстом» и «тонком» диэлектрике не равны между собой (разница 788 МГц, которая увеличивается до 1 770 МГц при √–ε = 4,06).
Для собственной добротности наблюдается в целом уменьшение параметра при возрастании диэлектрической проницаемости и увеличение при возрастании толщины диэлектрика, причем влияние на разные моды существенно отличается. Собственная добротность резонатора на π-моде меняется слабо при разных толщинах диэлектрика (максимальная разница на начальном участке, где ΔQ0 = 91. При этом на 3π / 2- и 2π-модах наблюдается значительное расхождение характеристик при разных толщинах диэлектрика. Наибольшая разница между значениями добротности наблюдается при малых значениях ε, и составляет 580 на 3π/2‑моде и 1 253 на 2π-моде. При этом для 2π-моды значение добротности уменьшается больше при росте диэлектрической проницаемости по сравнению с π- и 3π / 2‑модами.
* * *
Исходя из полученных результатов исследований, можно заключить, что рассмотренный резонатор обладает многочастотным спектром колебаний, в котором в исследуемом диапазоне присутствуют моды: противофазная, синфазная и 3π / 2. Использование дополнительных резонансных элементов на диэлектрических подложках внутри объемного резонатора позволяет также получить ряд новых свойств, таких как увеличенное характеристическое сопротивление и добротность. Исследована возможность настройки резонатора на кратные резонансные частоты с кратностью, равной трем.
Рассмотренный в работе трехзазорный, многоканальный, многочастотный резонатор может найти применение в низковольтных многолучевых приборах клистронного типа C-, X-, Ku-диапазонов. Такие клистроны могут быть перспективной электронной компонентной базой для создания миниатюрной телекоммуникационной радиоэлектронной аппаратуры, работающей в средневолновой и коротковолновой частях СВЧ-диапазона в системах космического применения и на подвижных объектах. Возможно также применение подобных резонаторов в умножителях частоты, работающих в двухчастотном режиме генерации.
Литература
Nusinovich G. S., Levush B., Abe D. K. A review of the development of Multiple-beam Klystron and TWTs; Research report, Naval Research Laboratory, USA, March, 2003.
Cai J. C., Syratchev I., Burt G. Design Study of a High-Power Ka-Band High-Order-Mode Multibeam Klystron // IEEE transactions on electron devices. 2020. Vol. 67. No. 12.
Teryaev V. E., Shchelkunov S. V., Hirshfield J. L. Innovative Two-Stage Multibeam Klystron: Concept and Modeling // IEEE transactions on electron devices. 2020. Vol. 67. No. 7.
Quangui Chao, Rui Zhang, Yong Wang, Xu Zhang. Modeling and Design of a High-Efficiency Multibeam Klystron // IEEE transactions on electron devices. 2022. Т. 69. № . 5. С. 2625–2630.
Bin Shen, Yaogen Ding, Zhaochuan Zhang, Honghong Gu, Haibing Ding, Jing Cao, Caiying Wang, and Dongping Gao. Research and Development of S-Band High Power Multibeam Klystron // IEEE transactions on electron devices. 2014. Vol. 61. No. 6.
Korolev A. N., Zaitsev S. A., Pobedonostsev A. S., Rumjantsev S. A., Torbik V. M., Zakurdayev A. D., Sazonov B. V. The Results of the Complex Investigation and Optimization of the Transmitting Modules, Using the Miniature Multibeam Klystrons and TWTs.
Kotov A. S., Gelvich E. A., Zakurdayev A. D. Small-size complex microwave devices (CMD) for onboard applications // IEEE transactions on electron devices. 2007. Vol. 54. No. 5. PP. 1049–1053.
Григорьев А. Д. Терагерцевая электроника. М.: ФИЗМАЛИТ, 2020. 308 с.
Ryskin N. M., Torgashov R. A., Benedik A. I. Study of miniaturized low-voltage backward-wave oscillator with a planar slow-wave structure // Izvestiya VUZ. Applied Nonlinear Dynamics. 2017. Vol. 25. Is. 5. PP. 35–46.
Геворкян В., Кочемасов В. Объемные диэлектрические резонаторы – основные типы, характеристики, производители // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2016. № 4 (00154). С. 62–76.
ВЧ и СВЧ керамические материалы и микроволновые элементы. Каталог продукции ООО «Керамика». СПб, 2004. 35 с.
Отзывы читателей
