Известия высших учебных заведений

Прикладная нелинейная динамика

ISSN 0869-6632 (Print)
ISSN 2542-1905 (Online)

Для цитирования:

Мучкаев В. Ю., Онищенко А. П., Царев В. А. Генерация двухчастотного излучения в монотроне с трехзазорным резонатором // Известия вузов. ПНД. 2021. Т. 29, вып. 6. С. 915-926. DOI: 10.18500/0869-6632-2021-29-6-915-926

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Полный текст в формате PDF(Ru):
Иконка PDF muchkaev_915-926.pdf
(загрузок: 211)
Язык публикации: 
русский
Рубрика: 
Прикладные задачи нелинейной теории колебаний и волн
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
537.862
DOI: 
10.18500/0869-6632-2021-29-6-915-926

Генерация двухчастотного излучения в монотроне с трехзазорным резонатором

Авторы: 
Мучкаев Вадим Юрьевич, Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А. (СГТУ)
Онищенко Антон Павлович, Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А. (СГТУ)
Царев Владислав Алексеевич, Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А. (СГТУ)
Аннотация: 

Цель настоящей работы – исследование режимов и условий, позволяющих добиться возбуждения генерации СВЧ-колебаний на высшем виде колебаний, частота которого кратна частоте основного вида, в монотроне с трехзазорным резонатором. Методом исследований является трехмерное численное моделирование, с помощью которого были подобраны размеры и рассчитаны основные электродинамические параметры резонатора (характеристическое сопротивление, коэффициент взаимодействия, относительная электронная проводимость), рассмотрены режимы работы монотрона, которые характеризуются возбуждением колебаний на высшем виде. Результат. В рассматриваемом резонаторе можно добиться кратного (равного трем) отношения частоты 25-го высшего вида колебаний и частоты π/2-вида. Анализ результатов 3D моделирования показал, что в таком резонаторе возможно одновременное возбуждение генерации электромагнитных колебаний на этих частотах. Максимальное значение мощности колебаний на частоте 100.22 ГГц достигло 15.4 Вт при ускоряющем напряжении 7825 В и микропервеансе электронного потока 0.36 мкА/В3/2 . Максимальное значение КПД на третьей гармонике составило 0.83% при общем (с учетом генерации электромагнитных колебаний на основной и третьей гармониках) КПД 17% для рассмотренного резонатора. Заключение. Установлено, что предложенный метод генерации терагерцевого излучения достаточно перспективен для дальнейшего развития и решает проблемы классических СВЧ-приборов в миллиметровом диапазоне, такие как критически малые размеры элементов и высокая плотность тока электронного луча. 

Ключевые слова: 
трехзазорный резонатор
монотрон
миллиметровый диапазон длин волн
вычислительная электродинамика
Благодарности: 
Работа выполнена при поддержке РФФИ, грант № 19-07-00611
Список источников: 
  1. Братман В. Л., Литвак А. Г., Суворов Е. В. Освоение терагерцевого диапазона: источники и приложения // УФН. 2011. Т. 181, № 8. С. 867–874. DOI: 10.3367/UFNr.0181.201108f.0867.
  2. Grigoriev A. D. Terahertz electronics // 2018 International Conference on Actual Problems of Electron Devices Engineering (APEDE). 27–28 Sept. 2018, Saratov, Russia. New York: IEEE, 2018. P. 5–10. DOI: 10.1109/APEDE.2018.8542172.
  3. Federici J., Moeller L. Review of terahertz and subterahertz wireless communications // J. Appl. Phys. 2010. Vol. 107, no. 11. P. 111101. DOI: 10.1063/1.3386413.
  4. Tonouchi M. Cutting-edge terahertz technology // Nature Photon. 2007. Vol. 1, no. 2. P. 97–105. DOI: 10.1038/nphoton.2007.3.
  5. Исаев В. М., Кабанов И. Н., Комаров В. В., Мещанов В. П. Современные радиоэлектронные системы терагерцового диапазона // Доклады ТУСУР. 2014. № 4(34). С. 5–21.
  6. Григорьев А. Д. Проблемы разработки источников мощного когерентного излучения терагерцевого диапазона // Тезисы докладов IV Всероссийской научно-технической конференции «Электроника и микроэлектроника СВЧ». Т. 1. СПб: СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2015. С. 139–143.
  7. Вишневский В., Фролов С., Шахнович И. Радиорелейные линии связи в миллиметровом диапазоне: новые горизонты скоростей // Электроника: наука, технология, бизнес. 2011. № 1. С. 90–97.
  8. Taylor Z. D., Singh R. S., Bennett D. B., Tewari P., Kealey C. P., Bajwa N., Culjat M. O., Stojadinovic A., Lee H., Hubschman J.-P., Brown E. R., Grundfest W. S. THz medical imaging: in vivo hydration sensing // IEEE Trans. Terahertz Sci. Technol. 2011. Vol. 1, no. 1. P. 201–219. DOI: 10.1109/TTHZ.2011.2159551.
  9. Pawar A. Y., Sonawane D. D., Erande K. B., Derle D. V. Terahertz technology and its applications // Drug Invention Today. 2013. Vol. 5, no. 2. P. 157–163. DOI: 10.1016/j.dit.2013.03.009.
  10. Bronwell A. B., Beam R. E. Theory and Application of Microwaves. New York: McGraw-Hill, 1947. 486 p.
  11. Birdsall C. K., Bridges W. B. Electron Dynamics of Diode Regions. New York: Academic Press, 1966. 270 p.
  12. Barroso J. J., Kostov K. G. A 5.7-GHz, 100-kW microwave source based on the monotron concept // IEEE Trans. Plasma Sci. 1999. Vol. 27, no. 2. P. 580–586. DOI: 10.1109/27.772289.
  13. Царев В. А., Мучкаев В.Ю., Шалаев П. Д. Исследование многолучевого микроволнового генератора пролетного типа К-диапазона с электродинамической системой из двух связанных через щель резонаторов // Письма в ЖТФ. 2014. Т. 40, № 7. С. 25–34.
  14. Мучкаев В.Ю., Федяев В. К., Царев В. А. Численное исследование электродинамических свойств многолучевого монотрона с трехзазорным резонатором К-диапазона частот // Радиотехника и электроника. 2016. Т. 61, № 9. С. 886–890. DOI: 10.7868/S0033849416090084.
  15. Booske J. H., Dobbs R. J., Joye C. D., Kory C. L., Neil G. R., Park G.-S., Park J., Temkin R. J. Vacuum electronic high power terahertz sources // IEEE Trans. Terahertz Sci. Technol. 2011. Vol. 1, no. 1. P. 54–75. DOI: 10.1109/TTHZ.2011.2151610.
  16. Muchkaev V. Y., Senchurov V. A., Kurkin S., Badarin A. Electron flow modulation in double-gap cavity with a multiple ratio of the two modes frequencies // IEEE Trans. Electron Devices. 2021. Vol. 68, no. 2. P. 835–840. DOI: 10.1109/TED.2020.3046994.
  17. Sullivan D. M. Electromagnetic Simulation Using the FDTD Method. New York: IEEE Press, 2000. 165 p.
  18. Berenger J.-P. A perfectly matched layer for the absorption of electromagnetic waves // J. Comput. Phys. 1994. Vol. 114, no. 2. P. 185–200. DOI: 10.1006/jcph.1994.1159.
  19. Kunz K. S., Luebbers R. J. The Finite Difference Time Domain Method for Electromagnetics. New York: CRC Press, 1993. 464 p.
  20. Григорьев А. Д., Янкевич В. Б. Резонаторы и резонаторные замедляющие системы СВЧ. Численные методы расчета и проектирования. М.: Радио и связь, 1984. 248 с.
  21. Caryotakis G. High Power Klystrons: Theory and Practice at the Stanford Linear Accelerator Center. No. SLAC-PUB 10620. Menlo Park, CA, USA: Stanford Linear Accelerator Center, 2005. 138 p.
  22. Карлинер М. М. Электродинамика СВЧ: Курс лекций. Новосибирск: НГУ, 2006. 258 с.
  23. Рошаль А. С. Моделирование заряженных пучков. М.: Атомиздат, 1979. 224 с.
  24. Бэдсел Ч., Лэнгдон А. Физика плазмы и численное моделирование. М.: Энергоатомиздат, 1989. 452 с.
Поступила в редакцию: 
23.05.2021
Принята к публикации: 
05.07.2021
Опубликована: 
30.11.2021
  • 1585 просмотров