Образец для цитирования:

Плоских А. Э., Рыскин Н. М. Моделирование лампы бегущей волны суб-ТГц диапазона с многолучевым ленточным электронным пучком // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия Физика. 2019. Т. 19, вып. 2. С. 113-121. DOI: https://doi.org/10.18500/1817-3020-2019-19-2-113-121


УДК: 
621.385.6
Язык публикации: 
русский

Моделирование лампы бегущей волны суб-ТГц диапазона с многолучевым ленточным электронным пучком

Аннотация

Миниатюрные лампы бегущей волны (ЛБВ) субтерагерцевого диапазона c пространственно-развитыми электронными потоками (ЭП) и замедляющими системами (ЗС) являются предметом активных исследований. В частности, привлекли большое внимание ЛБВ с ленточным ЭП и ЗС типа сдвоенной гребенки. В данной работе рассматривается ЛБВ с ЭП, состоящим из трех лучей эллиптической формы, что делает возможным дальнейшее увеличение поперечного сечения и снижение плотности тока. Пучок взаимодействует с высшей модой ЗС, имеющей три вариации поля вдоль поперечной координаты. Рассчитаны дисперсионные характеристики ЗС диапазона 0.22 ТГц, а также проведено моделирование режимов усиления малого и большого сигнала при токе пучка 100 мА и напряжении около 20 кВ. Определены параметры, при которых выходная мощность достигает 40 Вт в полосе частот 210–250 ГГц.

Литература

1. Srivastava V. THz vacuum microelectronic devices // J. Physics : Conf. Series. 2008. Vol. 114, № 1. 012015.

2. Booske J. H., Dobbs R. J., Joye C. D., Kory C. L., Neil G. R., Park G. S., Park J. H., Temkin R. J. Vacuum electronic high power terahertz sources // IEEE Trans. Terahertz Sci. Technol. 2011. Vol. 1, № 1. P. 54–75.

3. Dhillon S. S., Vitiello M. S., Linfi eld E. H., Davies A. G., Hoffmann M. C., Booske J., Paoloni C., Gensch M., Weightman P., Williams G. P., Castro-Camus E., Cumming D. R. S., Simoens F., Escorcia-Carranza I., Grant J., Lucyszyn S., Kuwata-Gonokami M., Konishi K., Koch M., Schmuttenmaer C. A., Cocker T. L., Huber R., Markelz A. G., Taylor Z. D., Wallace V. P., Zeitler J. A., Sibik J., Korter T. M., Ellison B., Rea S., Goldsmith P., Cooper K. B., Appleby R., Pardo D., Huggard P. G., Krozer V., Shams H., Fice M., Renaud C., Seeds A., Stöhr A., Naftaly M., Ridler N., Clarke R., Cunningham J. E., Johnston M. B. The 2017 terahertz science and technology roadmap // J. Phys. D, Appl. Phys. 2017. Vol. 50, № 4. 043001. DOI: https://doi.org/10.1088/1361-6463/50/4/043001

4. Grigoriev A. D., Ivanov V. A., Molokovsky S. I. Micro wave Electronics. Springer Series in Advanced Microelectronics. Springer, 2018. 554 p. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-319-68891-6

5. Shin Y.-M., Barnett L. R., Luhmann N. C. Phase-shifted traveling-wave-tube circuit for ultrawideband highpower submillimeter-wave generation // IEEE Trans. Electron Devices. 2009. Vol. 56, № 5. P. 706–712.

6. Shin Y. M., Baig A., Barnett L. R., Luhmann N.C., Pasour J., Larsen P. Mod eling investigation of an ultrawideband terahertz sheet beam traveling-wave tube amplifi er circuit // IEEE Trans. Electron Devices. 2011. Vol. 58, № 9. P. 3213–3219.

7. Pasour J., Wright E., Nguyen Kh., Balkcum A., Wood F. N., Myers R. E., Levush B. Demon stration of a multikilowatt, solenoidally focused sheet beam amplifi er at 94 GHz // IEEE Trans. Electron Devices. 2014. Vol. 61, № 6. P. 1630–1636.

8. Shi X., Wang Z., Tang X., Tang T., Gong H., Zhou Q., Bo W., Zhang Y., Duan Z., Wei Y., Gong Y., Feng J. Study on wideband sheet beam traveling wave tube based on staggered double vane slow wave structure // IEEE Trans. Plasma Sci. 2014. Vol. 42, № 12. P. 3996–4003.

9. Wang J., Shu G., Liu G., Yang L.Y., Luo Y. Ultrawideband coalesced-mode operation for a sheet-beam travelingwave tube // IEEE Trans. Electron Devices. 2016. Vol. 63, № 1. P. 504–511.

10. Baig A., Gamzina D., Kimura T., Atkinson J. E.,Domier C., Popovic B., Himes L., Barchfeld R. Field M., Luhmann N. C. Performance of a nano-CNC machined 220-GHz traveling wave tube amplifi er // IEEE Trans. Electron Devices. 2017. Vol. 64, № 5. P. 2390–2397.

11. Srivastava V. Nonlinear analysis of beam-wave interaction in a planar THz travelling-wave tube amplifi er // J. Electroma gnetic Waves Appl. 2018. Vol. 32, № 2. P. 190–203.

12. Nusinovich G. S., Cooke S. J., Botton M., Levush B. Wave coupling in sheet- and multiple-beam traveling-wave tubes // Phys. Plasmas. 2009. Vol. 16, № 6. P. 063102.

13. Gee A., Shin Y. M. Gain analysis of higher-order-mode amplification in a dielectric-implanted multi-beam traveling wave structure // Phys. Plasmas. 2013. Vol. 20, № 7. P. 073106.

14. Ruan C., Zhang M., Dai J., Zhang C., Wang S., Yang X., Feng J. W-band multiple beam staggered double-vane traveling wave tube with broad band and high output po wer // IEEE Trans. Plasma Sci. 2015. Vol. 43, № 7. P. 2132–2139.

15. Shu G., Liu G., Chen L., Bam barandage H., Qian Zh. Terahertz backward wave radiation from the interaction of high-order mode and double sheet electron beams // J. Phys. D : Appl. Phys. 2018. Vol. 51, № 5. P. 055107.

16. Shu G. X., Liu G., Qian Z. F. Simulation study of a high-order mode terahertz radiation source based on an orthogonal grating waveguide and multiple sheet electron beams // Opt. Express. 2018. Vol. 26, № 7. P. 8040–8048.

17. Рожнёв 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, № 8–9. С. 601–613.

18. Каретникова Т. А., Рожнёв А. Г., Рыскин Н. М., Торгашов Г. В., Синицын Н. И., Григорьев Ю. А., Бурцев А. А., Шалаев П. Д. Моделирование лампы бегущей волны субтерагерцевого диапазона с замедляющей системой типа сдвоенной гребенки и ленточным электронным пучком // Радиотехника и электроника. 2016. Т. 61, № 1. С. 54–60. DOI: https://doi.org/10.1134/S1064226915120116

19. 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, № 6. P. 2129–2134. DOI: https://doi.org/10.1109/TED.2017.2787960

20. Navrotsky I. A., Burtsev A. A., Kivokurtsev A. Y., Shu mikhin K. V., Shalaev P. D., Karetnikova T. A., Ryskin N. M. 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. DOI: https://doi.org/10.1109/UCMMT.2017.8068467

21. Навроцкий И. А., Бурцев А. А., Данилушкин А. В., Каретникова Т. А., Рыскин Н. М., Шумихин К. В. Разработка макета ЭОС с эллиптическими пучками для приборов ТГц диапазона // Актуальные проблемы электронного приборостроения : материалы междунар. науч.-техн. конф. : в 2 т. Саратов : Саратовский государственный технический университет, 2018. Т. 1. C. 170–174.

22. Навроцкий И. А., Бурцев А. А., Данилушкин А. В. Параметрическое 3D моделирование низкопервеансных эллиптических электронных пучков для приборов ТГц диапазона // Актуальные проблемы электронного приборостроения : материалы междунар. науч.-техн. конф. : в 2 т. Саратов : Саратовский государственный технический университет, 2018. Т. 1. C. 166–169.

23. Nguyen K. T., Pasour J. A., Antonsen T. M., Larsen P. B., Petillo J. J., Levush B. Intense sheet electron beam transport in a uniform solenoidal magnetic fi eld // IEEE Trans. Electron Devices. 2009. Vol. 56, № 5. Р. 744–752. DOI: https://doi.org/10.1109/TED.2009.2015420

24. Ruan C. J., Wang S. Z., Han Y., Li Q. S., Yang X. D. Theoretical and experimental investigation on intense sheet electron beam transport with its diocotron instability in a uniform magnetic fi eld // IEEE Trans. Electron Devices. 2014. Vol. 61, № 6. Р. 1643–1650. DOI: https://doi.org/10.1109/TED.2014.2299286

25. Шевчик В. Н., Трубецков Д. И. Аналитические методы расчета в электронике СВЧ. М. : Сов. радио, 1970. 584 c.

26. Кац А. М., Ильина Е. М., Манькин И. А. Нелинейные явления в СВЧ приборах О-типа с длительным взаимодействием. М. : Сов. радио, 1975. 296 с.

27. Lei X., Wei Y., Wang Y., Zhou Q., Wu G., Ding C., Li Q., Zhang L., Jiang X., Gong Y., Wang W. Full-wave analysis of the high frequency characteristics of the sine waveguide slow-wave structure // AIP Advances. 2017. Vol. 7, № 8. P. 085111. DOI: https://doi.org/10.1063/1.4997329

28. Kowalski E. J., Shapiro M. A., Temkin R. J. An overmoded W-band coupled-cavity TWT // IEEE Trans. Electron Devices. 2015. Vol. 62, № 5. P. 1609–1616. DOI: https://doi.org/10.1109/TED.2015.2407865

Полный текст в формате PDF (на русском языке):