Известия высших учебных заведений

Прикладная нелинейная динамика

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


Для цитирования:

Рыскин Н. М., Рожнев А. Г., Миненна Д. Ф., Эльскенс И., Андре Ф. Нестационарная дискретная теория возбуждения периодических структур и ее использование для моделирования ламп бегущей волны // Известия вузов. ПНД. 2021. Т. 29, вып. 1. С. 10-34. DOI: 10.18500/0869-6632-2021-29-1-10-34

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Полный текст в формате PDF(Ru):
(загрузок: 360)
Язык публикации: 
русский
Тип статьи: 
Обзорная статья
УДК: 
530.182

Нестационарная дискретная теория возбуждения периодических структур и ее использование для моделирования ламп бегущей волны

Авторы: 
Рыскин Никита Михайлович, Саратовский филиал Института радиотехники и электроники имени В.А.Котельникова РАН (СФ ИРЭ)
Рожнев Андрей Георгиевич, Саратовский филиал Института радиотехники и электроники имени В.А.Котельникова РАН (СФ ИРЭ)
Миненна Дамиен Ф.Г., Национальный центр космических исследований
Эльскенс Ив, Университет Экс-Марсель
Андре Фредерик, Группа Талес
Аннотация: 

Цели. В статье представлен обзор нестационарной дискретной теории возбуждения периодических электродинамических структур и обсуждаются приложения этой теории для моделирования микроволновых усилителей типа ламп бегущей волны с различными замедляющими системами. Методы. Дискретная теория базируется на представлении периодической замедляющей системы в виде цепочки связанных ячеек (осцилляторов). Однако эти осцилляторы не тождественны периодам структуры и каждый из них связан не только с ближайшими соседями, но и, вообще говоря, со всеми осцилляторами в структуре. Дискретная теория позволяет существенно упростить моделирование распространения электромагнитной волны в периодической структуре по сравнению с непосредственным интегрированием уравнений Максвелла. В статье представлен вывод уравнения возбуждения дискретной теории из уравнений Максвелла и рассматриваются результаты численного моделирования процессов электронно-волнового взаимодействия. Результаты. Воспроизведен вывод уравнений нестационарной дискретной теории возбуждения С.П. Кузнецова, рассмотрены дальнейшие направления развития этой теории, включая гамильтонову формулировку. Изложены результаты моделирования лампы бегущей волны с цепочкой связанных резонаторов C-диапазона, включая сложные переходные процессы при паразитном самовозбуждении вблизи частоты отсечки. Обсуждаются дальнейшие направления развития дискретной теории, включая гамильтонову формулировку. Представлены результаты моделирования спиральной лампы бегущей волны Ku-диапазона с выходной мощностью 170 Вт, которые хорошо согласуются с результатами экспериментов. Выводы. Нестационарная дискретная теория возбуждения, предложенная С.П. Кузнецовым в 1980 г., является мощным инструментом для моделирования распространения электромагнитных волн в различных периодических структурах. На ее основе реализованы алгоритмы и компьютерные программы моделирования нестационарных процессов в лампе бегущей волны, которые в настоящее время широко используются в фундаментальных и прикладных исследованиях.

Благодарности: 
Работа выполнена в рамках государственного задания Саратовского филиала ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН.
Список источников: 
  1. Пирс Дж.Р. Лампа с бегущей волной. М.: Сов. радио, 1952. 229 c.
  2. Гилмор А.С. Лампы с бегущей волной. М.: Техносфера, 2013. 616 c.
  3. Кузнецов А.П., Кузнецов С.П., Рожнев А.Г., Блохина Е.В., Булгакова Л.В. Волновая теория ЛБВ вблизи границы полосы пропускания // Изв. вузов. Радиофизика. 2004. Т. 47, № 5–6. С. 399–418.
  4. Pierce J.R., Wax N. A note on fi lter-type traveling-wave amplifi ers // Proc. IRE, 1949. Vol. 38, no. 6. P. 622–625. DOI: 10.1109/JRPROC.1949.233301.
  5. Gould R.W. Characteristics of travelling-wave tubes with periodic circuits // IRE Trans. Electron Devices. 1958. Vol. 5, no. 3. P. 186–195. DOI: 10.1109/T-ED.1958.14419.
  6. Kino G.S., Hiramatsu Y., Harman W.A., Ruetz J.A. Small-signal and large-signal theories for the coupled-cavity TWT // Proc. 6th International Conference оn Microwave and Optical Generation and Amplifi cation, Cambridge, England, 1966. P. 49–53.
  7. Vaughan J.R.M. Calculation of coupled-cavity TWT performance // IEEE Trans. Electron Devices. 1975. Vol. 22, no. 10. P. 880–890. DOI: 10.1109/T-ED.1975.18237.
  8. Chernin D., Antonsen T.M., Chernyavskiy I.A., Vlasov A.N., Levush B., Begum R., Legarra J.R. Large-signal multifrequency simulation of coupled-cavity TWTs // IEEE Trans. Electron Devices. 2011. Vol. 58, no. 4. P. 1229–1240. DOI: 10.1109/TED.2011.2106504.
  9. Chernin D., Antonsen T.M., Vlasov A.N., Chernyavskiy I.A., Nguyen K.T., Levush B. 1-D large signal model of folded-waveguide traveling wave tubes // IEEE Trans. Electron Devices. 2014. Vol. 61, no. 6. P. 1699–1706. DOI: 10.1109/TED.2014.2298100.
  10. Qiu W., Lee H.J., Verboncoeur J.R., Birdsall C.K. A time-domain circuit simulator for coupled- cavity traveling-wave tubes // IEEE Trans. Plasma Sci. 2001. Vol. 29, no. 6. P. 911–920. DOI: 10.1109/27.974979.
  11. Freund H.P., Antonsen T.M., Zaidman E.G., Levush B., Legarra J. Nonlinear time-domain analysis of coupled-cavity traveling-wave tubes // IEEE Trans. Plasma Sci. 2002. Vol. 30, no. 3. P. 1024–1040. DOI: 10.1109/TPS.2002.802148.
  12. Curnow H.J. A general equivalent circuits for coupled-cavity slow-wave structures // IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 1965. Vol. 13, no. 5. P. 671–675. DOI: 10.1109/TMTT.1965.1126062.
  13. Carter R.G. Representation of coupled-cavity slow-wave structures by equivalent circuits // IEE Proc. I (Solid-State and Electron Devices). 1983. Vol. 130, no. 2. P. 67–72.
  14. Christie V.L., Kumar L., Balakrishnan N. Improved equivalent circuit model of practical coupled- cavity slow-wave structures for TWTs // Microwave Optical Technol. Lett. 2002. Vol. 35, no. 4. P.322–326. DOI: 10.1002/mop.10596.
  15. Malykhin A.V., Konnov A.V., Komarov D.A. Synthesis of six-pole network simulating of coupled cavity chain characteristics in two passbands // 4th IEEE International Conference of Vacuum Electronics. 2003. P. 159–160. DOI: 10.1109/IVEC.2003.1286199.
  16. Antonsen T.M., Vlasov A.N., Chernin D.P., Chernyavskiy I.A., Levush B. Transmission line model for folded waveguide circuits // IEEE Trans. Electron Devices. 2013. Vol. 60, no. 9. P. 2906–2911. DOI: 10.1109/TED.2013.2272659.
  17. Dialetis D., Chernin D.P., Cooke S.J., Antonsen T.M., Chang C.L., Levush B. Comparative analysis of the Curnow and Malykhin-Konnov-Komarov (MKK) circuits as representations of coupled-cavity slow-wave structures // IEEE Trans. Electron Devices. 2005. Vol. 52, no. 5. P. 774–782. DOI: 10.1109/TED.2005.846353.
  18. Булгакова Л.В., Трубецков Д.И., Фишер В.Л., Шевчик В.Н. Лекции по электронике СВЧ приборов типа O. Саратов: Изд-во Сарат. унт-та, 1974. 221 с.
  19. Гаврилов М.В., Трубецков Д.И., Фишер В.Л. Теория цепочек активных многополюсников с электронным возбуждением // В кн. Лекции по электронике СВЧ и радиофизике (5-я зимняя школа-семинар инженеров). Кн. 1. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1981. C. 173–197.
  20. Булгакова Л.В., Гаврилов М.В., Пищик Л.А., Трубецков Д.И., Фишер В.Л. Применение теории активных многополюсников к анализу ЛБВ и КБВ // В кн. Лекции по электронике СВЧ и радиофизике (5-я зимняя школа-семинар инженеров). Кн. 1. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1981. С. 198–215.
  21. Chernyavskiy I.A., Antonsen T.M., Rodgers J.C., Vlasov A.N., Chernin D., Levush B. Modeling vacuum electronic devices using generalized impedance matrices // IEEE Trans. Electron Devices. 2017. Vol. 64, no. 2. P. 536–542. DOI: 10.1109/TED.2016.2640205.
  22. Connolly D.J., O’Malley T.A. A contribution to computer analysis of coupled-cavity traveling wave tubes // IEEE Trans. Electron Devices. 1977. Vol. 24, no. 1. P. 27–31. DOI: 10.1109/T-ED.1977.18673.
  23. Connolly D.J., O’Malley T.A. Computer program for analysis of coupled-cavity traveling wave tube // Rep. NASA, TND-8492. Cleveland, USA. 1977. 52 p.
  24. Солнцев В.А., Осин А.В. Теория взаимодействия в приборах типа О с периодической струк- турой // В кн. Лекции по электронике СВЧ и радио-физике (5-я зимняя школа-семинар инженеров). Кн. 4. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1981. C. 142–178.
  25. Солнцев В.А, Мухин С.В. Разностная форма теории возбуждения периодических волноводов // Радиотехника и электроника. 1991. Т. 36, № 11. С. 2161–2166.
  26. Солнцев В.А. Теория возбуждения волноводов // Известия вузов. ПНД. 2009. Т. 17, № 3. С. 55–89. DOI: 10.18500/0869-6632-2009-17-3-55-89.
  27. Солнцев В.А., Колтунов Р.П. Анализ уравнений дискретного электронно-волнового взаимодействия и группировки электронных потоков в периодических и псевдопериодических замедляющих системах // Радиотехника и электроника. 2008. Т. 53, № 6. С. 738–751.
  28. Solntsev V.A. Beam–wave interaction in the passbands and stopbands of periodic slow-wave systems // IEEE Trans. Plasma Sci. 2015. Vol. 43, no. 7. P. 2114–2122. DOI: 10.1109/TPS.2015.2440479.
  29. Вайнштейн Л.А., Солнцев В.А. Лекции по сверхвысокочастотной электронике. М.: Сов. радио, 1973. 400 c.
  30. Bevensee R.M. A unifi ed theory of electron beam interaction with slow wave structures, with application to cut-off conditions // Journal of Electronics and Control. 1960. Vol. 9, no. 6. P. 401–437. DOI: 10.1080/00207216008962774.
  31. Bahr A.J. A coupled-monotron analysis of band-edge oscillations in high-power traveling-wave tubes // IEEE Trans. Electron Devices. 1965. Vol. 12, no. 10. P. 547–556. DOI: 10.1109/T-ED.1965.15606.
  32. Гинзбург Н.С., Кузнецов С.П., Федосеева Т.Н. Теория переходных процессов в релятивистской ЛОВ // Изв. вузов. Радиофизика. 1978. Т. 21, № 7. С. 1037–1052.
  33. Кузнецов С.П. Об одной форме уравнений возбуждения периодического волновода // Радиотехника и электроника. 1980. Т. 25, № 2. С. 419–421.
  34. Гельфанд И.М. Разложение по собственным функциям уравнения с периодическими коэффициентами // ДАН. 1950. Т. 73, № 6. С. 1117–1120.
  35. Киттель Ч. Квантовая теория твердых тел. М.: Наука, 1967. 492 с.
  36. Кузнецов А.П., Кузнецов С.П. Нелинейные нестационарные уравнения взаимодействия электронного потока с электромагнитным полем вблизи границы зоны Бриллюэна // Изв. вузов. Радиофизика. 1984. Т. 27, № 12. C. 1575–1583.
  37. Булгакова Л.В., Кузнецов С.П. Нестационарные нелинейные процессы при взаимодействии электронного пучка с электромагнитным полем вблизи границы полосы пропускания электродинамической системы. I. Высокочастотная граница // Изв. вузов. Радиофизика. 1988. Т. 31, № 2. С. 207–221.
  38. Булгакова Л.В., Кузнецов С.П. Нестационарные нелинейные процессы при взаимодействии электронного пучка с электромагнитным полем вблизи границы полосы пропускания электродинамической системы. II. Низкочастотная граница // Изв. вузов. Радиофизика. 1988. Т. 31, № 5. С. 612–621.
  39. Булгакова Л.В., Кузнецов А.П., Кузнецов С.П., Рожнев А.Г. Усиление и паразитное самовозбуждение ЛБВ у границы полосы прозрачности замедляющей системы // Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ. 1988. Т. 3, № 407. С. 7–12.
  40. Ryskin N.M., Titov V.N., Yakovlev A.V. Nonstationary nonlinear discrete model of a coupled-cavity traveling-wave-tube amplifi er // IEEE Trans. Electron Devices. 2009. Vol. 56, no. 5. P. 928–934. DOI: 10.1109/TED.2009.2016690.
  41. Collier R.J., Helm G.D., Laico J.P., Striny K.M. The ground station high-power traveling-wave tube // Bell Syst. Tech. J. 1963. Vol. 42, no. 4. P. 1829–1861. DOI: 10.1002/j.1538-7305.1963.tb04052.x.
  42. Хокни Р., Иствуд Дж. Численное моделирование методом частиц. М.: Мир, 1987. 640 c.
  43. Бэдсел Ч., Ленгдон А. Физика плазмы и численное моделирование. М.: Энергоатомиздат, 1989. 452 c.
  44. Роу Дж.Е. Теория нелинейных явлений в приборах сверхвысоких частот. М.: Сов. радио. 1969. 614 c.
  45. Miller S.M., Antonsen T.M., Levush B., Bromborsky A., Abe D.K., Carmel Y. Theory of relativistic backward wave oscillator operating near cutoff // Phys. Plasmas. 1994. Vol. 1, no. 3. P. 730–740. DOI: 10.1063/1.870818.
  46. Levush B., Antonsen T.M., Bromborsky A., Lou W.R., Carmel Y. Theory of relativistic backward- wave oscillators with end refl ectors // IEEE Trans. on Plasma Sci. 1992. Vol. 20, no. 3. P. 263–280. DOI: 10.1109/27.142828.
  47. Рыскин Н.М. Исследование нелинейной динамики ЛБВ-генератора с запаздывающей обратной связью // Изв. вузов. Радиофизика. 2004. Т. 47, № 2. С. 129–142.
  48. Рыскин Н.М, Титов В.Н. Автомодуляционные и хаотические режимы генерации в релятивистской лампе обратной волны с отражениями // Изв. вузов. Радиофизика. 2001. Т. 44, № 10. С. 860–874.
  49. Andr´e F., Bernardi P., Ryskin N.M., Doveil F., Elskens Y. Hamiltonian description of self-consistent wave-particle dynamics in a periodic structure // Europhys. Lett. 2013. Vol. 103, no. 2. P. 28004. DOI: 10.1209/0295-5075/103/28004.
  50. Minenna D.F.G., Elskens Y., Andr´e F., Doveil F. Electromagnetic power and momentum in N-body Hamiltonian approach to wave-particle dynamics in a periodic structure // Europhys. Lett. 2018. Vol. 122, no. 4. P. 44002. DOI: 10.1209/0295-5075/122/44002.
  51. Hairer E., Lubich C., Wanner G. Geometric Numerical Integration. Vol. 31. Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, 2006. 644 p. DOI: 10.1007/3-540-30666-8.
  52. Andr´e F., Racamier J.-C., Zimmermann R., Trung Le Q., Krozer V., Ulisse G., Minenna D.F.G., Letizia R., Paoloni C. Technology, assembly, and test of a W-band traveling wave tube for new 5G high-capacity networks // IEEE Trans. Electron Devices. 2020. Vol. 67, no. 7. P. 2919–2924. DOI: 10.1109/TED.2020.2993243.
  53. Bernardi P., Andr´e F., David J.-F., Le Clair A., Doveil F. Effi cient time-domain simulation ofa helix traveling-wave tube. // IEEE Trans. Electron Devices. 2011. Vol. 58, no. 6. P. 1761–1767. DOI: 10.1109/TED.2011.2125793.
  54. Bernardi P., Andr´e F., David J.-F., Le Clair A., Doveil F. Control of the refl ections at the terminations of a slow wave structure in the nonstationary discrete theory of excitation of a periodic waveguide // IEEE Trans. Electron Devices. 2011. Vol. 58, no. 11. P. 4093–4097. DOI: 10.1109/TED.2011.2163410.
  55. Bernardi P., Andr´e F., Bariou D., David J.-F., Le Clair A., Doveil F. Effi cient 2.5-D nonstationary simulations of a helix TWT // 2011 IEEE International Vacuum Electronics Conference (IVEC). 21–24 Feb. 2011, Bangalore, India. P. 307–308. DOI: 10.1109/IVEC.2011.5746998.
  56. Minenna D.F.G., Terentyuk A.G., Elskens Y., Andr´e F., Ryskin N.M. Recent discrete model for small-signal analysis of traveling-wave tubes // Physica Scripta. 2019. Vol. 94, no. 5. P. 055601. DOI: 10.1088/1402-4896/ab060e.
  57. Minenna D.F.G., Elskens Y., Andr´e F., Poy´e A., Puech J., Doveil F. DIMOHA: A time-domain algorithm for traveling-wave tube simulations // IEEE Trans. Electron Devices. 2019. Vol. 66, no. 9. P. 4042–4047. DOI: 10.1109/TED.2019.2928450.
  58. Karetnikova T.A., Rozhnev A.G., Ryskin N.M., Fedotov A.E., Mishakin S.V., Ginzburg N.S. Gain analysis of a 0.2-THz traveling-wave tube with sheet electron beam and staggered grating slow wave structure // IEEE Trans. Electron Devices. 2018. Vol. 65. no. 6. P. 2129–2134. DOI: 10.1109/TED.2017.2787960.
Поступила в редакцию: 
23.12.2020
Принята к публикации: 
30.12.2020
Опубликована: 
01.02.2021