ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН English Войти Подать статью
Журнал радиоэлектроники Электронный научный журнал · eISSN 1684-1719
2023, № 10 · РАДИОТЕХНИКА

Оптимизация полосы пропускания в лампе бегущей волны О-типа террагерцового диапазона

Ч.З. Нгуен1, Д.Г. Ковтун1

1 Волгоградской государственный технический университет, Волгоград, Россия
Полный текст DOI: 10.30898/1684-1719.2023.10.8 УДК 621.385.6 EDN YPPKHE

Аннотация

При разработке усилителей в терагерцовом диапазоне частот на лампе бегущей волны О-типа как правило используются модели, которые учитывают взаимодействие электронного потока с электромагнитной волной только в замедляющей системе, не рассматривая при этом влияние на эти процессы областей, занимаемых электронной пушкой и коллектором. Однако, если внутри объемов, занимаемых электронной пушкой и коллектором возникает резонанс, то это может повлечь за собой искажение полосы пропускания замедляющей системы, тем самым ухудшая характеристики прибора. Использование отражателей может существенно улучшить ситуацию, т.к. благодаря им электромагнитные волны не проходят внутрь данных областей, а слой поглотителя, находящийся внутри них, подавляет возможность появления резонанса. В результате, устройство становится более стабильным и эффективным в качестве усилителя электромагнитных волн. В данной работе представлены результаты численного моделирования процессов в модели ЛБВО терагерцового диапазона, включающего весь объем прибора без исключений, на основе метода конечных разностей во временной области (FDTD) для уравнений Максвелла и метода «частиц-в-ячейках» (PIC) для расчёта динамики электронного потока.

  • усилитель
  • метод конечных разностей
  • лбво
  • терагерцовый диапазон частот
  • замедляющая структура
  • сдвоенная гребенка
  • отражатель
  • амплитудно-частотная характеристика
  • поглотитель
Abstract (in English)

Bandwidth optimization in terahertz O-type traveling-wave tube

For developing terahertz O-type traveling wave tube amplifiers, as a rule, models are used that take into account only interaction of electron beam with electromagnetic wave in slow-wave system, without considering influence of areas occupied by electron gun and collector on these processes. However, if resonance occurs within volumes occupied by electron gun and collector, then this may lead to distortion of the slow-wave system bandwidth, thereby degrading the device performance. Reflectors using can significantly improve this situation, as thanks to reflectors, electromagnetic waves don't pass inside these areas, and absorbing layer inside them suppresses the resonance possibility. As a result, the device becomes more stable and efficient as an electromagnetic wave amplifier. This paper presents the numerical simulation results of processes in terahertz TWT model, including the entire device volume without exceptions, based on the Finite-Difference Time-Domain (FDTD) method for Maxwell equations and the Particle-In-Cells (PIC) method for calculating electron beam dynamics.

Для цитирования

Нгуен Ч.З., Ковтун Д.Г. Оптимизация полосы пропускания в лампе бегущей волны О-типа террагерцового диапазона // Журнал радиоэлектроники. – 2023. – № 10. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2023.10.8

Литература

  1. Siegel P. H. Terahertz technology //IEEE Transactions on microwave theory and techniques. - 2002. - Т. 50. - №. 3. - С. 910-928.
  2. Zhang J. Y. et al. THz imaging technique for nondestructive analysis of debonding defects in ceramic matrix composites based on multiple echoes and feature fusion //Optics express. - 2020. - Т. 28. - №. 14. - С. 19901-19915.
  3. Вакс В. Л. и др. ТГц спектрометр высокого разрешения на основе наноструктурированных полупроводниковых и сверхпроводниковых устройств //Журнал радиоэлектроники. - 2016. - №. 1. - С. 4-4.
  4. Анфертьев В. А. и др. Развитие метода двухчастотной ТГц спектроскопии для аналитических исследований //Радиоэлектроники. - 2015. - №. 2.
  5. Shin Y. M., Barnett L. R., Luhmann N. C. Phase-shifted traveling-wave-tube circuit for ultrawideband high-power submillimeter-wave generation //IEEE Transactions on Electron Devices. - 2009. - Т. 56. - №. 5. - С. 706-712.
  6. Каретникова Т. А. и др. Моделирование лампы бегущей волны субтерагерцевого диапазона с замедляющей системой типа сдвоенной гребенки и ленточным электронным пучком //Радиотехника и электроника. - 2016. - Т. 61. - №. 1. - С. 54-54.
  7. Shi X. et al. An arbitrary staggered multi-vane traveling wave tube driven by double sheet electron beams //2015 8th UK, Europe, China Millimeter Waves and THz Technology Workshop (UCMMT). - IEEE, 2015. - С. 1-3.
  8. Deng G. et al. A Three-Stage Cascaded Staggered Double Vane for a 220 GHz Traveling-Wave Tube //Plasma and Fusion Research. - 2015. - Т. 10. - С. 1406078-1406078.
  9. Shin Y. M. et al. Modeling investigation of an ultrawideband terahertz sheet beam traveling-wave tube amplifier circuit //IEEE transactions on electron devices. - 2011. - Т. 58. - №. 9. - С. 3213-3218.
  10. Shin Y. M. et al. System design analysis of a 0.22-THz sheet-beam traveling-wave tube amplifier //IEEE transactions on electron devices. - 2011. - Т. 59. - №. 1. - С. 234-240.
  11. Luo J. et al. A wideband input/output structure for the staggered double grating sheet beam travelling wave tube //2016 IEEE International Vacuum Electronics Conference (IVEC). - IEEE, 2016. - С. 1-2.
  12. Shu G. et al. Design, fabrication, and cold test of a high frequency system for an H-band sheet beam travelling wave tube //IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology. - 2020. - Т. 10. - №. 3. - С. 292-301.
  13. Zhang Z., Ruan C. High-power and broadband terahertz TWT amplifier based on high order mode staggered double vane structure //2019 Photonics & Electromagnetics Research Symposium-Fall (PIERS-Fall). - IEEE, 2019. - С. 555-559.
  14. Fan Y., Luo J., Fang Z. W-band sheet beam staggered double grating traveling wave tube with simplified input/output structure //2017 Eighteenth International Vacuum Electronics Conference (IVEC). - IEEE, 2017. - С. 1-2.
  15. Baig A. et al. Performance of a nano-CNC machined 220-GHz traveling wave tube amplifier //IEEE Transactions on Electron Devices. - 2017. - Т. 64. - №. 5. - С. 2390-2397.
  16. Нгуен Ч. З. и др. Трехмерное моделирование процессов в лампе бегущей волны терагерцевого диапазона //Электромагнитные волны и электронные системы. - 2021. - Т. 26. - №. 1. - С. 45-53.
  17. Нгуен Ч. З., Ковтун Д. Г. Свид. о гос. регистрации программы для ЭВМ № 2021613359 от 5 марта 2021 г. Российская Федерация. Численное моделирование работы электровакуумного СВЧ прибора в многочастотном режиме; правообладатель: ФГБОУ ВО ВолгГТУ. - 2021.
  18. Вайнштейн Л. А. Электромагнитные волны. - Радио и связь, 1988. - С. 440.
  19. Силин Р. А. Периодические волноводы //Известия высших учебных заведений. Прикладная нелинейная динамика. - 2003. - Т. 11. - №. 1. - С. 106-108.
  20. Нгуен Ч. З., Ковтун Д. Г. Моделирование двухчастотного режима работы лампы бегущей волны О-типа //Электромагнитные волны и электронные системы. 2023. - Т. 28. - № 1. - С. 12-20.
  21. Burtsev A. A. et al. Experimental study of electron guns for TWT of terahertz range //2015 IEEE International Vacuum Electronics Conference (IVEC). - IEEE, 2015. - С. 1-2.
  22. Taki Y. et al. Electrical and thermal properties of off-stoichiometric SiC prepared by spark plasma sintering //Journal of Asian Ceramic Societies. - 2018. - Т. 6. - №. 1. - С. 95-101.