"ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ" N 2, 2015

оглавление

УДК 621.385.69;621.385.19

 

ОБ ОДНОМ РЕЖИМЕ ГЕНЕРАЦИИ В ОРОТРОНЕ С ДВУХРЯДНОЙ ПЕРИОДИЧЕСКОЙ СТРУКТУРОЙ ТЕРАГЕРЦОВОГО ДИАПАЗОНА

 

Е. А. Мясин1, Ю. В. Андреев2, В. В. Евдокимов1, А. Ю. Ильин1

 

1 Фрязинский филиал ИРЭ им. В.А.Котельникова РАН

2 ИРЭ им. В.А.Котельникова РАН, Москва

 

Статья получена 16 февраля 2015 г.

 

Аннотация. В результате математического моделирования электронно - волнового взаимодействия в оротроне с двухрядной периодической структурой впервые обнаружена возможность существования двух режимов стационарной генерации, один из которых никогда ранее не исследовался. Он характеризуется малой величиной электронного КПД при малой напряжённости высокочастотного (ВЧ) поля в открытом резонаторе (ОР), наряду с известным стационарным режимом генерации при большей напряжённости ВЧ поля в ОР и большей величине электронного КПД. Существование этого режима подтверждено экспериментом.

Ключевые слова: оротрон, двухрядная периодическая структура, открытый резонатор, миллиметровый диапазон волн.

Abstract. As a result of computer simulation of electron-wave interaction in the orotron with double-row periodic structure the possibility of existence of two stationary generation regimes has been found. One of those regime  was never explored  before. It is characterized by low value of electron efficiency when the high frequency electric field intensity in open resonator is low, while the well-known stationary generation regime occurs when these parameters are high enough. The experimental verification of a new regime is presented.

Key words: orotron, double-row periodic structure, open resonator, millimeter wavelength range.

 

Введение

Несмотря на заметный прогресс в освоении низкочастотной части терагерцового диапазона вплоть до 1.5 ТГц (или длинноволновой части субмиллиметрового диапазона вплоть до 0.2мм) классическими приборами О – типа (ЛОВ - генераторами), задача увеличения мощности генерируемого излучения приборами О – типа остаётся актуальной. В этой связи оротрон с двухрядной периодической структурой (ДРПС) мог бы оказаться весьма подходящим прибором для достижения этой цели, так как исследования  работы этого прибора в 3-миллиметровом диапазоне волн показали возможность получения относительно большого КПД (6%) и большой  мощности (³ 1кВт) в импульсном режиме при напряжении 20кВ [1]. Однако для достижения такого результата при создании прибора должны быть выполнены определённые условия [2]: 1) длина ДРПС = (4-5) rк, где rк  - радиус каустики на плоском зеркале открытого резонатора (ОР) в 2-3 раза больше длины волны; 2) расстояние между зеркалами резонатора HОР £ 10 мм; 3)отношение периода l к высоте 2H пролётного канала  ³ 3; 4) ширина электронного потока 2С £ rк. Выполнение условий 3) и 4) позволяет не учитывать неоднородность ВЧ поля по ширине и толщине электронного потока. Так как rк = Ö(l/pÖ HОР (R - HОР)), то по мере уменьшения длины волны уменьшается rк и, как следствие, ширина электронного потока, а значит и генерируемая ВЧ мощность. Кроме того, если принять за максимально возможное напряжение U = 20кВ, то, например, для l =1мм  период будет 0.27мм и, чтобы выполнить условие 3), пролётный канал должен быть 0.07мм, а для генерации на длине волны 0.8мм – период l = 0.21мм, пролётный канал 0.05мм и т.д. На практике реализовать эти условия чрезвычайно сложно.

Поэтому приходится идти на нарушение условия 3) и мириться с тем, что отношение l/2H < 3. Но в этом случае ухудшается эффективность электронно-волнового взаимодействия и возрастает пусковой ток, поэтому может оказаться, что нельзя выполнить условие 1). В этом случае приходится увеличивать длину пространства взаимодействия, и длина ДРПС может быть увеличена до 10 rк  и более [3]. Тем не менее, для генерации относительно длинноволнового излучения, например, для l =1.3мм (~230ГГц), весьма заманчиво использовать ДРПС длиной 5rк, выполнив также условие 3).

В работе [4] на основе приближённой аналитической теории [5] была проведена оптимизация электронно - волнового взаимодействия в оротроне для генерации на длине волны для l =1.3мм. Для оротрона с «короткой»  (5 радиусов каустики) ДРПС и ОР со сферическим фокусирующим зеркалом проведен расчёт геометрических и энергетических характеристик прибора  с ДРПС, имеющей период 0,29 мм. Выяснены основные закономерности влияния различных параметров на эффективность взаимодействия электронного потока с ВЧ полем ДРПС. Показано, что при определённых условиях оротрон с ДРПС может генерировать на длине волны  1,3 мм мощность, выводимую в нагрузку, в десятки Ватт. Однако, может оказаться, что эти условия реализовать не представляется возможным, и тогда мощность, выводимая в нагрузку, будет существенно меньше (порядка единиц Ватта или даже меньше) [4].

Теория

В этой связи необходимо было  исследовать оптимизацию параметров оротрона более детально на основе точных, а не приближённых уравнений нелинейной теории той же работы  [5].

Самосогласованное решение нелинейной теории электронно-волнового взаимодействия в оротроне получается в результате совместного решения системы уравнений: нелинейного уравнения движения и уравнения возбуждения, а также решения  уравнения обмена энергией  в ОР прибора. Самосогласованное решение задачи может быть представлено как точка пересечения зависимости электронного КПД he_1(F0) от безразмерной напряжённости поля F0, полученной в результате решения нелинейной системы уравнений, с зависимостью электронного КПД he_2(F0), полученного в результате решения уравнения обмена энергией в ОР.

Для нахождения электронного КПД в результате решения уравнения движения и возбуждения [5] необходимо вычислить двойной интеграл

 

he_1 = - (L1F0/p)0ò1 f(y) [0ò2pcos( Ф - jy)dj0] dy,  где                      (1)

 

f(y) =exp[-m2(y-0,5)2],  m = L0/rк,  rк - радиус каустики,

а величина фазы Ф найдена в результате решения уравнения движения [2]:

 

d2Ф/dy2 = - m [1 + 1/L1 (dФ/dy)]3 f (y) cos(Ф - jy), где                        (2)

 

y = z/L0; Ф = (w t -be z); L1 =be L0; F0 = (E0c)/(2beU0); be=w /V0; j =bL1; b=V0/Vф-1; m = (L1)2F0;