RU2783259C1 - Slow-wave structure of uhf device of o-type - Google Patents

Abstract

FIELD: UHF equipment.

SUBSTANCE: invention relates to UHF equipment, namely to slow-wave structures (hereinafter – SWS) of amplifying and generating UHF devices of O-type, in particular to slow-wave structures of travelling wave tubes (hereinafter – TWT) and backward-wave tubes (hereinafter – BWT). Increase in connection resistance of SWS is achieved due to that combs of the slow-wave structure have slots, contours of which are ellipse arcs. An electrical field in a flow section for such a slow-wave structure decreases slowly as moving away from a surface of the slot, which leads to an increase in connection resistance and, consequently, to an increase in the performance of UHF devices of O-type.

EFFECT: increase in the performance of UHF devices of O-type by increasing values of connection resistance in a working frequency band, while saving other electrodynamic characteristics of a slow-wave structure.

2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к технике СВЧ, а именно к замедляющим системам (ЗС) усилительных и генераторных СВЧ-приборов О-типа, в частности, к замедляющим системам ламп бегущей волны (ЛБВ) и ламп обратной волны (ЛОВ).SUBSTANCE: invention relates to microwave engineering, namely to retarding systems (SWS) of O-type amplifying and generating microwave devices, in particular, to retarding systems of traveling wave lamps (TWT) and backward wave lamps (BWO).

Продвижение в область субтерагерцового (суб-ТГц) и терагерцового (ТГц) частотных диапазонов является одной из важнейших проблем современной вакуумной СВЧ-электроники. В связи с этим разрабатываются миниатюрные варианты известных приборов вакуумной электроники, в частности, ЛОВ и ЛБВ. Для повышения КПД данных приборов разрабатываются замедляющие системы с повышенным сопротивлением связи, которое, как известно, является мерой эффективности взаимодействия электронного потока с продольным полем ЗС [Тараненко З.И., Трохименко Я.К. Замедляющие системы. - Киев: Изд-во Техника, 1965].Progress into the subterahertz (sub-THz) and terahertz (THz) frequency ranges is one of the most important problems of modern vacuum microwave electronics. In this regard, miniature versions of well-known vacuum electronics devices are being developed, in particular, BWO and TWT. To increase the efficiency of these devices, retarding systems with increased coupling resistance are being developed, which, as is known, is a measure of the effectiveness of the interaction of the electron beam with the longitudinal field of the SL [Taranenko Z.I., Trokhimenko Ya.K. deceleration systems. - Kyiv: Tekhnika Publishing House, 1965].

Уменьшение размера пролетного канала в замедляющей системе приводит к необходимости значительного увеличения плотности тока электронного потока, что осложняет его фокусировку и транспортировку внутри пролетного канала ЗС. Для получения приемлемых значений плотности тока используются электронные пучки с большой площадью поперечного сечения, например ленточный поток.Reducing the size of the transit channel in the slow-wave system leads to the need for a significant increase in the current density of the electron beam, which complicates its focusing and transportation inside the transit channel of the SWS. To obtain acceptable current densities, electron beams with a large cross-sectional area, such as ribbon flow, are used.

В патенте RU 183912 предложена замедляющая система для лампы бегущей волны миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн, представляющая собой проводник, выполненный в форме прямоугольного меандра, образованный параллельно расположенными металлическими пластинами, связанными между собой перемычками. Каждая из пластин снабжена сквозным прямоугольным отверстием для пролета плоского (ленточного) потока электронов, при этом отверстия в пластинах расположены с образованием прямоугольного канала для пролета плоского потока электронов через замедляющую систему. Недостатком использования ленточного электронного потока является трудность его фокусировки вследствие закручивания краев потока из-за диокотронной неустойчивости [A.A. Burtsev, Yu.A. Grigor'ev, I.A. Navrotsky, V.I. Rogovin, G.V. Sakhadzhi, and K.V. Shumikhin. Experimental investigation of electron guns for THz microwave vacuum amplifiers // Tech. Phys. Lett., vol. 42, no. 5, pp 543-545, 2016], что, в совокупности с динамической расфокусировкой в рабочем режиме прибора, приводит к повышенному токооседанию на элементы ЗС.Patent RU 183912 proposes a retarding system for a traveling wave lamp of millimeter and submillimeter wavelength ranges, which is a conductor made in the form of a rectangular meander, formed by parallel metal plates connected by jumpers. Each of the plates is provided with a through rectangular hole for the passage of a flat (ribbon) electron flow, while the holes in the plates are arranged to form a rectangular channel for the passage of a flat electron flow through the slowing down system. The disadvantage of using a ribbon electron beam is the difficulty of focusing it due to the twisting of the edges of the stream due to diocotron instability [A.A. Burtsev, Yu.A. Grigor'ev, I.A. Navrotsky, V.I. Rogovin, G.V. Sakhaji, and K.V. Shumikhin. Experimental investigation of electron guns for THz microwave vacuum amplifiers // Tech. Phys. Lett., vol. 42, no. 5, pp 543-545, 2016], which, together with dynamic defocusing in the operating mode of the device, leads to increased current deposition on the AP elements.

Другим решением является увеличение числа электронных потоков, что позволяет снизить удельную плотность тока, транспортируемого через ЗС, а также использование многолучевых электронно-оптических систем на основе эллиптических или цилиндрических электронных потоков. Такие потоки показывают существенно меньшую диокотронную нестабильность [I.A. Navrotsky, A.A. Burtsev, A.Y. Kivokurtsev, K.V. Shumikhin, P.D. Shalaev, Т.A. Karetnikova, N.М. Ryskin Development of electron-optical system with three elliptic electron beams for a THz-band vacuum-tube device // 10th UK-Europe-China Workshop on Millimetre Waves and Terahertz Technologies (UCMMT). Liverpool, UK, 2017, P. 8068467].Another solution is to increase the number of electron streams, which makes it possible to reduce the specific current density transported through the SWS, as well as the use of multibeam electron-optical systems based on elliptical or cylindrical electron streams. Such streams show significantly less diocotron instability [I.A. Navrotsky, A.A. Burtsev, A.Y. Kivokurtsev, K.V. Shumikhin, P.D. Shalaev, T.A. Karetnikova, N.M. Ryskin Development of electron-optical system with three elliptic electron beams for a THz-band vacuum-tube device // 10th UK-Europe-China Workshop on Millimetre Waves and Terahertz Technologies (UCMMT). Liverpool, UK, 2017, P. 8068467].

Наибольшее распространение для приборов суб-ТГц и ТГц частотных диапазонов получила ЗС типа гребенки [Силин Р.А. Периодические волноводы. М: Фазис, 2002] в силу своей относительной простоты и технологичности.Comb-type SWS is the most widely used for devices of sub-THz and THz frequency ranges [Silin R.A. Periodic waveguides. M: Fazis, 2002] due to its relative simplicity and manufacturability.

В авторском свидетельстве СССР №714540 описана конструкция гребенчатой замедляющей системы, в которой для расширения рабочей полосы частот соседние гребни сдвинуты в поперечной плоскости относительно друг друга в разные стороны, а параллельно их боковым поверхностям добавлены металлические пластины. Недостатком данной конструкции являются возможные проблемы с теплоотводом вследствие токооседания и увеличенных ВЧ-потерь в суб-ТГц диапазоне.In the author's certificate of the USSR No. 714540, the design of a comb retarding system is described, in which, to expand the operating frequency band, adjacent combs are shifted in a transverse plane relative to each other in different directions, and metal plates are added parallel to their side surfaces. The disadvantage of this design is the possible problems with heat dissipation due to current sinking and increased RF losses in the sub-THz range.

В авторском свидетельстве СССР №612313 уменьшение дисперсии в гребенке достигается тем, что каждый гребень соединен с основанием в области расположения смежных гребней с помощью перемычек, которые создают дополнительную магнитную связь между соседними резонаторами. Применение подобной конструкции ЗС в приборах суб-ТГц и ТГц диапазонов весьма осложнено низкой технологичностью изготовления предложенной ЗС вследствие очень малых размеров ее элементов, к тому же недостатком такой замедляющей системы является относительно низкое сопротивление связи.In the author's certificate of the USSR No. 612313, the reduction in the dispersion in the comb is achieved by the fact that each comb is connected to the base in the area where adjacent combs are located using jumpers, which create an additional magnetic coupling between adjacent resonators. The use of such a design of the SWS in sub-THZ and THz band devices is very complicated by the low manufacturability of the proposed SWS due to the very small dimensions of its elements; moreover, the disadvantage of such a slow-wave system is the relatively low coupling resistance.

Известны также замедляющие системы типа гребенка и сдвоенная гребенка ЛБВ миллиметрового диапазона с ленточным электронным потоком [Рожнев А.Г., Рыскин Н.М., Каретникова Т.А., Торгашов Г.В., Синицын Н.И., Шалаев П.Д., Бурцев А.А. Исследование характеристик замедляющей системы лампы бегущей волны миллиметрового диапазона с ленточным электронным пучком // Изв. вузов. Радиофизика. 2013. Т. 56, №8. С. 601], [Karetnikova Т.A., Rozhnev A.G., Ryskin N.М., Torgashov G.V., Sinitsyn N.I., Grigoriev Y.A., Burtsev A.A., Shalaev P.D. Modeling a subterahertz traveling-wave tube with a slow-wave structure of the double grating type and a sheet electron beam // Journal of Communications Technology and Electronics, 2016, vol. 61, no. 1, pp. 50-55]. Расширение полосы пропускания в случае сдвоенной гребенки происходит при сдвиге гребенок относительно друг друга на полпериода, что приводит к слиянию двух низших собственных мод и уменьшению дисперсии. Недостатком рассмотренных замедляющих систем является относительно низкое сопротивление связи.There are also known retarding systems of the comb type and a double comb TWT of the millimeter range with a tape electron flow [Rozhnev A.G., Ryskin N.M., Karetnikova T.A., Torgashov G.V., Sinitsyn N.I., Shalaev P. D., Burtsev A.A. Investigation of the characteristics of the retarding system of a millimeter-wave traveling-wave lamp with a strip electron beam. Izv. universities. Radiophysics. 2013. V. 56, No. 8. P. 601], [Karetnikova T.A., Rozhnev A.G., Ryskin N.M., Torgashov G.V., Sinitsyn N.I., Grigoriev Y.A., Burtsev A.A., Shalaev P.D. Modeling a subterahertz traveling-wave tube with a slow-wave structure of the double grating type and a sheet electron beam // Journal of Communications Technology and Electronics, 2016, vol. 61, no. 1, pp. 50-55]. The bandwidth expansion in the case of a double comb occurs when the combs are shifted relative to each other by half a period, which leads to the merging of the two lower eigenmodes and a decrease in dispersion. A disadvantage of the considered slow-wave systems is the relatively low coupling resistance.

Прототипом предлагаемого изобретения является ЛБВ с замедляющей системой сдвоенная гребенка и электронным потоком, состоящим из трех лучей эллиптической формы [Плоских А.Э., Рыскин Н.М. Моделирование лампы бегущей волны суб-ТГц диапазона с многолучевым ленточным электронным пучком// Изв. Сарат. ун-та. Нов. сер. Сер. Физика. 2019. Т. 19, вып. 2. С. 113-121]. Использование многолучевого эллиптического электронного потока оказывается более предпочтительным, так как позволяет избежать сложностей, возникающих при фокусировке ленточного потока. Недостатком замедляющей системы этой ЛБВ, как и указанных выше технических решений, является относительно низкое сопротивление связи.The prototype of the present invention is a TWT with a retarding system of a double comb and an electron beam consisting of three beams of an elliptical shape [Flat A.E., Ryskin N.M. Simulation of a sub-THZ traveling-wave lamp with a multibeam strip electron beam. Izv. Sarat. university New ser. Ser. Physics. 2019. Vol. 19, no. 2. S. 113-121]. The use of a multibeam elliptical electron beam is more preferable, since it allows one to avoid the difficulties that arise when focusing a ribbon beam. The disadvantage of the slowing down system of this TWT, as well as the above technical solutions, is the relatively low resistance of the connection.

Заявляемое техническое решение направлено на увеличение сопротивления связи замедляющей системы генераторных и усилительных приборов СВЧ О-типа (ЛОВ и ЛБВ).The proposed technical solution is aimed at increasing the resistance of the connection of the slowing down system of generator and amplifying devices of the O-type microwave (WOW and TWT).

Техническим результатом изобретения является повышение КПД СВЧ-приборов О-типа.The technical result of the invention is to increase the efficiency of O-type microwave devices.

Указанный технический результат достигается увеличением значений сопротивления связи в рабочей полосе частот в несколько раз при сохранении прочих электродинамических характеристик замедляющей системы. Увеличение сопротивления связи ЗС достигается добавлением вырезов, контуры которых совпадают по форме с поперечным сечением электронных потоков, в гребни замедляющей системы, таким образом, что оси электронных потоков совпадают с центрами вырезов в плоскости поперечного сечения. Из известных форм электронных потоков, находящих практическое применение, наиболее подходящими являются эллиптические электронные потоки или цилиндрические электронные потоки, как их частный случай. Глубина выреза изменяется в пределахThe specified technical result is achieved by increasing the values of the connection resistance in the operating frequency band by several times while maintaining the other electrodynamic characteristics of the slowing down system. An increase in the coupling resistance of the SL is achieved by adding cutouts, the contours of which coincide in shape with the cross section of the electron flows, into the ridges of the slowing system, so that the axes of the electron flows coincide with the centers of the cutouts in the cross section plane. Of the known forms of electron flows that find practical application, the most suitable are elliptical electron flows or cylindrical electron flows, as their particular case. The depth of the cut varies within

где R_потока - малая полуось (или радиус) сечения электронного потока,where R _flow is the minor semiaxis (or radius) of the cross section of the electron flow,

R_выреза - глубина выреза под электронный поток, D - расстояние между внешним контуром электронного потока и поверхностью гребенки. Электрическое поле в сечении потока для такой замедляющей системы спадает медленнее по мере удаления от поверхности выреза, что приводит к увеличению сопротивления связи.R of the _cutout is the depth of the cutout for the electron flow, D is the distance between the outer contour of the electron flow and the surface of the comb. The electric field in the flow cross section for such a slow-wave system decreases more slowly with distance from the notch surface, which leads to an increase in the coupling resistance.

Заявленный технический результат был подтвержден серией расчетов электродинамических характеристик многолучевой ЗС в программе электродинамического моделирования ANSYS HFSS [11]. Расчет проводился для ЗС типа односторонней гребенки, помещенной в прямоугольный волновод, с пятью полукруглыми вырезами под пять цилиндрических электронных потоков.The claimed technical result was confirmed by a series of calculations of the electrodynamic characteristics of a multibeam AP in the electrodynamic simulation program ANSYS HFSS [11]. The calculation was carried out for an SWS of the type of a one-sided comb placed in a rectangular waveguide with five semicircular cuts for five cylindrical electron beams.

Для пояснения технического решения представлены фиг. 1 - фиг. 3, на которых обозначены: (1) - вырез под электронный поток, (2) - траектории электронов в цилиндрическом потоке, (3) - гребень замедляющей системы, (4) - волновод.To explain the technical solution, Fig. 1 - fig. 3, which indicate: (1) - cutout for the electron flow, (2) - trajectories of electrons in a cylindrical flow, (3) - ridge of the slowing down system, (4) - waveguide.

На фиг. 1 представлен расчетный вариант одного периода замедляющей системы с пятью полукруглыми вырезами под пять электронных потоков.In FIG. Figure 1 shows the calculated version of one period of the slow-wave system with five semicircular cutouts for five electron beams.

На фиг. 2а схематично изображено поперечное сечение замедляющей системы с вырезами под электронный поток. Здесь радиус выреза под пролетный канал обозначен R, расстояние от верхней кромки гребней до внутренней поверхности крышки - В, расстояние между электронным потоком и поверхностью гребенки - D. На фиг. 2б представлено поперечное сечение аналогичной замедляющей системы, но без вырезов и с расстоянием от поверхности гребней до внутренней поверхности крышки В'=В+R.In FIG. 2a schematically shows the cross section of the moderating system with cutouts for the electron beam. Here, the cutout radius for the passage channel is designated R, the distance from the upper edge of the ridges to the inner surface of the cover is B, the distance between the electron flow and the comb surface is D. In Fig. 2b shows a cross section of a similar retarding system, but without cutouts and with a distance from the surface of the ridges to the inner surface of the cover B'=B+R.

На фиг. 3 представлены рассчитанные с помощью HFSS электродинамические характеристики (сопротивление связи, дисперсионная характеристика) замедляющей системы с вырезами под электронный поток в виде полуокружностей (фиг. 2а) и замедляющей системы без вырезов и с увеличенным расстоянием от верхней кромки гребней до внутренней поверхности крышки (фиг. 2б).In FIG. Figure 3 shows the electrodynamic characteristics calculated using HFSS (coupling resistance, dispersion characteristic) of the slow-wave system with cutouts for the electron flow in the form of semicircles (Fig. 2a) and the slow-wave system without cutouts and with an increased distance from the upper edge of the ridges to the inner surface of the cover (Fig. 2b).

Дисперсионная характеристика замедляющей системы с полукруглыми вырезами практически не изменилась по сравнению с замедляющей системой без вырезов, а сопротивление связи увеличилось более чем в два раза.The dispersion characteristic of the retarding system with semicircular cutouts remained virtually unchanged compared to the retarding system without cutouts, and the coupling resistance more than doubled.

Таким образом, применение вырезов под электронный поток в гребнях замедляющей системы приводит к увеличению сопротивления связи и, следовательно, к более эффективному взаимодействию электронов с полем бегущей волны, росту выходной мощности и КПД ЛБВ или ЛОВ при прочих равных условиях.Thus, the use of cutouts for the electron flow in the ridges of the slow-wave system leads to an increase in the coupling resistance and, consequently, to a more efficient interaction of electrons with the field of the traveling wave, an increase in the output power and efficiency of the TWT or BWT, all other things being equal.

Источники информации:Sources of information:

1. Тараненко З.И., Трохименко Я.К. Замедляющие системы. - Киев: Изд-во Техника, 1965.1. Taranenko Z.I., Trokhimenko Ya.K. deceleration systems. - Kyiv: Tekhnika Publishing House, 1965.

2. Патент RU 183912. Опубл. 09.10.2018. Замедляющая система для лампы бегущей волны / Г.В. Торгашов, Н.М. Рыскин, П.Д. Шалаев.2. Patent RU 183912. Publ. 10/09/2018. Retarding system for a traveling wave lamp / G.V. Torgashov, N.M. Ryskin, P.D. Shalaev.

3. А.А. Burtsev, Yu.A. Grigor'ev, LA. Navrotsky, V.I. Rogovin, G.V. Sakhadzhi, and K. V. Shumikhin. Experimental investigation of electron guns for THz microwave vacuum amplifiers // Tech. Phys. Lett, vol. 42, no. 5, pp 543-545, 2016.3. A.A. Burtsev, Yu.A. Grigor'ev, LA. Navrotsky, V.I. Rogovin, G.V. Sakhaji, and K. V. Shumikhin. Experimental investigation of electron guns for THz microwave vacuum amplifiers // Tech. Phys. Lett, vol. 42, no. 5, pp. 543-545, 2016.

4. I.A. Navrotsky, A.A. Burtsev, A.Y. Kivokurtsev, K.V. Shumikhin, P.D. Shalaev, T.A. Karetnikova, N. M. Ryskin Development of electron-optical system with three elliptic electron beams for a THz-band vacuum-tube device // 10th UK-Europe-China Workshop on Millimetre Waves and Terahertz Technologies (UCMMT). Liverpool, UK, 2017, P. 8068467.4.I.A. Navrotsky, A.A. Burtsev, A.Y. Kivokurtsev, K.V. Shumikhin, P.D. Shalaev, T.A. Karetnikova, N. M. Ryskin Development of electron-optical system with three elliptic electron beams for a THz-band vacuum-tube device // 10th UK-Europe-China Workshop on Millimetre Waves and Terahertz Technologies (UCMMT). Liverpool, UK, 2017, p. 8068467.

5. Силин P.А. Периодические волноводы. M.: Фазис, 2002.5. Silin R.A. Periodic waveguides. M.: Fazis, 2002.

6. Авторское свидетельство СССР №714540. Опубликовано 05.02.1980. Замедляющая система типа «гребенка» / Ю.Н. Пчельников, В.К. Дзугаев, Л.Н. Лошаков.6. Author's certificate of the USSR No. 714540. Published 02/05/1980. Retarding system of the "comb" type / Yu.N. Pchelnikov, V.K. Dzugaev, L.N. Loshakov.

7. Авторское свидетельство СССР №612313. Опубликовано 25.08.1978. Замедляющая система гребенчатого типа / Ю.Н. Пчельников, В.К. Дзугаев.7. Author's certificate of the USSR No. 612313. Published 08/25/1978. Comb-type retarding system / Yu.N. Pchelnikov, V.K. Dzugaev.

8. Рожнев А.Г., Рыскин Н.М., Каретникова Т.А., Торгашов Г.В., Синицын Н.И., Шалаев П.Д., Бурцев А.А. Исследование характеристик замедляющей системы лампы бегущей волны миллиметрового диапазона с ленточным электронным пучком // Изв. вузов. Радиофизика. 2013. Т. 56, №8. С. 601.8. Rozhnev A.G., Ryskin N.M., Karetnikova T.A., Torgashov G.V., Sinitsyn N.I., Shalaev P.D., Burtsev A.A. Investigation of the characteristics of the retarding system of a millimeter-wave traveling-wave lamp with a strip electron beam. Izv. universities. Radiophysics. 2013. V. 56, No. 8. S. 601.

9. Karetnikova Т.A., Rozhnev A.G., Ryskin N.М., Torgashov G.V., Sinitsyn N.I., Grigoriev Y.A., Burtsev A.A., Shalaev P.D. Modeling a subterahertz traveling-wave tube with a slow-wave structure of the double grating type and a sheet electron beam // Journal of Communications Technology and Electronics, 2016, vol. 61, no. 1, pp. 50-55.9. Karetnikova T.A., Rozhnev A.G., Ryskin N.M., Torgashov G.V., Sinitsyn N.I., Grigoriev Y.A., Burtsev A.A., Shalaev P.D. Modeling a subterahertz traveling-wave tube with a slow-wave structure of the double grating type and a sheet electron beam // Journal of Communications Technology and Electronics, 2016, vol. 61, no. 1, pp. 50-55.

10. Плоских А.Э., Рыскин H.M. Моделирование лампы бегущей волны суб-ТГц диапазона с многолучевым ленточным электронным пучком// Изв. Сарат. ун-та. Нов. сер. Сер. Физика. 2019. Т. 19, вып.2. С. 113-121.10. Ploskikh A.E., Ryskin H.M. Simulation of a sub-THZ traveling-wave lamp with a multibeam strip electron beam. Izv. Sarat. university New ser. Ser. Physics. 2019. Vol. 19, issue 2. pp. 113-121.

11. www.ansys.com11 www.ansys.com

Claims (6)

1. Замедляющая система СВЧ-прибора О-типа, состоящая из металлического волновода и расположенных внутри металлических выступов, перпендикулярных к внутренним поверхностям волновода, отличающаяся тем, что выступы имеют, по крайней мере, не менее одного выреза, контур которого представляет собой дугу эллипса, при этом глубина выреза удовлетворяет условию:1. The retarding system of an O-type microwave device, consisting of a metal waveguide and located inside metal protrusions perpendicular to the inner surfaces of the waveguide, characterized in that the protrusions have at least one notch, the contour of which is an elliptical arc, in this case, the depth of the cut satisfies the condition:

где R_ПОТОКА - малая полуось эллипса, образованного поперечным сечением электронного потока;where R _FLOW is the semi-minor axis of the ellipse formed by the cross section of the electron beam; R_ВЫРЕЗА - глубина выреза под электронный поток;R _CUT - the depth of the cut for the electron flow; D - расстояние между электронным потоком и поверхностью гребенки.D is the distance between the electron flow and the comb surface. 2. Замедляющая система СВЧ-прибора О-типа по п. 1, отличающаяся тем, что контуры вырезов представляют собой дуги окружностей как частного случая дуг эллипсов; при расчете глубины вырезов R_ПОТОКА - радиус окружности, образованной поперечным сечением электронного потока.2. The retarding system of the O-type microwave device according to claim 1, characterized in that the contours of the cutouts are arcs of circles as a special case of arcs of ellipses; when calculating the depth of cutouts R _FLOW - the radius of the circle formed by the cross section of the electron flow.

Images