Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics of RAS Русский Sign in Submit a paper
Journal of Radio Electronics Online scientific journal · eISSN 1684-1719
2017, № 11 · PHYSICAL PROBLEMS OF ELECTRONICS

Трехмерный расчет гиро-ЛБВ Ка-диапазона с мощностью до 10 кВт от катода до конца области взаимодействия

S.V. Samsonov1, G.G. Denisov2, S.V. Mishakin1

1 Институт прикладной физики Российской академии наук, Russia
2 Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, Russia
Full text (PDF) UDC 621.396.61 EDN YMEPMM

Abstract

Results of theoretical analysis of a Gyro-TWT with helically corrugated waveguide of 10-mm wavelength range are presented. The peculiarities of the presented Gyro-TWT variety are the use of a single barrier dielectric window (both for input and output of the microwave radiation), “warm” magnet with a power consumption of about 15 kW, as well as a relatively low-voltage (25 kV*2 A) DC power supply. Construction and technology of the manufacturing of such an amplifier appear to be quite similar to those of so-called technological gyrotron-oscillators that are reliable devices and used for numerous applications. 3D full electromagnetic computer modeling of the most important part of the device starting from the emitter of an electron beam and ending by significant downturn of the axial magnetic field bordering the beam-wave interaction space was performed for the first time. At the input power in the range of 10-50 W, the gyro-TWT was simulated to yield the output power of about 10 kW at the instantaneous bandwidth of 1 GHz or 3-5 kW at the bandwidth of 2 GHz depending on the tuning of the static magnetic field. The system was analyzed with respect to the most expected 3D imperfection in the form of the cathode axis radial shift. It was found that the critical axis shift amounted to about 0.5 mm at which the bandwidth was significantly reduced and the amplifier could start to oscillate.

  • gyrotron-type device
  • gyrotron travelling-wave tube
  • gyro-TWT
  • gyro-TWT with helically corrugated waveguide
  • 3D Finite-Difference Time-Domain Particle-in-Cell (FDTD PIC) simulations
Аннотация (на русском)

Трехмерный расчет гиро-ЛБВ Ка-диапазона с мощностью до 10 кВт от катода до конца области взаимодействия

Представлены результаты теоретического анализа гиро-ЛБВ со спирально-гофрированным волноводом 10-мм диапазона длин волн. Особенностями данного варианта гиро-ЛБВ являются использование только одного барьерного диэлектрическое окна (как для ввода, так и для вывода СВЧ излучения), «теплого» магнита с потреблением мощности около 15 кВт, а также относительно низковольтного (25 кВ*2 А) непрерывного источника питания. Конструкция такого усилителя и технология его изготовления мало отличаются от т.н. технологических гиротронов-генераторов, которые являются надежными приборами и используются во многих приложениях. Впервые выполнено 3-мерное «полностью электромагнитное» компьютерное моделирование наиболее важной части прибора от эмиттера электронного пучка до существенного спада продольного магнитного поля, ограничивающего область электронно-волнового взаимодействия.

For citation

Samsonov S.V., Denisov G.G., Mishakin S.V. Трехмерный расчет гиро-ЛБВ Ка-диапазона с мощностью до 10 кВт от катода до конца области взаимодействия // Journal of Radio Electronics. – 2017. – No. 11.

References

  1. Гапонов А.В. Возбуждение линии передачи непрямолинейным электронным пучком. // Изв. вузов. Радиофизика. 1959. Т. 2, № 3. С. 443-450.
  2. K.R. Chu, H.Y. Chen, C.L. Hung, T.H. Chang, and L.R. Barnett, Ultrahigh gain gyrotron traveling wave amplifier // Phys. Rev. Lett., 1998, vol. 81, no. 21, pp. 4760-4763.
  3. M. Garven, J.P. Calame, B.G. Danly et al. A gyrotron-travelling-wave tube amplifier experiment with a ceramic loaded interaction region // IEEE Trans. Plasma Sci., 2002. vol.30, no.3, pp. 885-893.
  4. D.E. Pershing, K.T. Nguyen, J.P. Calame et al. A TE11 Ka-band Gyro-TWT amplifier with high-average power compatible distributed loss // IEEE Trans. Plasma Sci., 2004, vol.32, no.3, pp. 947-956.
  5. H. Wang, H. Li, Y. Luo, R. Yan Theoretical and experimental investigation of a Ka-band Gyro-TWT with lossy interaction structure // J. Infrared Millim. Terahertz Waves, 2011, vol. 32, no. 2, pp. 172-185.
  6. E.F. Wang, X. Zeng, B.T. Liu et al. Experimental study of 290 kW Ka-band gyrotron-traveling wave-tube // Proc. 13th IEEE Int. Vacuum Electronics Conference and 9th IEEE Int. Vacuum Electron Sources Conference (IVEC-IVESC 2012), Monterey, CA, USA, pp. 215-216.
  7. M. Blank, P. Borchard, S. Cauffman, F. Felch, W-band gyro-amplifiers at Haystack Ultra-Wide Satellite Imaging Radar // Digest of Joint 32nd Int. Conf. on Infrared and Millim. Waves and 15th Int. Conf. on THz Electronics, Cardiff, UK, 2007, pp.364-366.
  8. J.R. Sirigiri, M.A. Shapiro, and R.J. Temkin, High-power 140-GHz quasioptical gyrotron traveling-wave amplifier, Phys. Rev. Lett., 2003, vol. 90, p. 258302.
  9. G.G. Denisov, V.L. Bratman, A.D.R. Phelps, S.V. Samsonov Gyro-TWT with a Helical Operating Waveguide: New Possibilities to Enhance Efficiency and Frequency Bandwidth // IEEE Trans. on Plasma Science, 1998, vol.26, no.3, pp.508-518.
  10. Братман В.Л., Денисов Г.Г., Самсонов С.В. и др. Высокоэффективные широкополосные гиро-ЛБВ и гиро-ЛОВ со спирально-гофрированными волноводами. // Известия вузов. Радиофизика, 2007, т.50, №2, с.104-116.
  11. S.V. Samsonov, G.G. Denisov, I.G. Gachev, et al. CW Ka-band kW-level Helical-Waveguide Gyro-TWT // IEEE Trans. on Electron Devices, 2012, vol. 59, no. 8, pp. 2250 - 2255.
  12. Самсонов С.В., Гачев И.Г., Денисов Г.Г., Богдашов А.А., Мишакин С.В., Фикс А.Ш., Солуянова Е.А., Тай Е.М., Доминюк Я.В., Мурзин В.Н., Левитан Б.А. Широкополосная импульсная гиро-ЛБВ Ка-диапазона на основе волновода с винтовой гофрировкой // Радиотехника. 2014. №4. C.104-112.
  13. S.V. Samsonov, I.G. Gachev, G.G. Denisov, A.A. Bogdashov, S.V. Mishakin, A.S. Fiks, E.A. Soluyanova, E.M. Tai, Y.V. Dominyuk, B.A. Levitan, V.N. Murzin "Ka-band Gyrotron Traveling-Wave Tubes with the Highest Continuous-Wave and Average Power," IEEE Transactions on Electron Devices, 2014, vol.61, no.12, pp.4264-4268.
  14. Денисов Г.Г., Богдашов А.А., Гачев И.Г., Мишакин С.В., Самсонов С.В. Новые системы ввода-вывода излучения для гиро-ЛБВ миллиметрового диапазона длин волн // Известия вузов. Радиофизика. 2015. T.58. №10. C.857-866.
  15. S.V. Samsonov, A.A. Bogdashov, G.G. Denisov, I.G. Gachev, S.V. Mishakin, "Proof-of-Principle Experiment on High-Power Gyrotron Traveling-Wave Tube with a Microwave System for Driving and Extracting Power Through One Window", IEEE Microwave and Wireless Components Letters, 2016, vol.26, no.4, pp.288-290.
  16. Yu. Bykov, A. Eremeev, G.G. Denisov, et al. 24-84 GHz Gyrotron Systems for Technological Microwave Applications, IEEE Transactions on Plasma Science, vol.32, no.1, 2004, pp.67-72.
  17. Kikunaga T., Asano H., Hemmi K., Sato F., Tsukamoto T., A 28 GHz gyrotron with a permanent magnet system. Conf. Digest 20th Int. Conf. on Infrared and Millimeter Waves, 1995, Lake Buena Vista (Orlando), Florida, 485-486.
  18. Malygin A., Illy S., Pagonakis I., Avramidis K., Thumm M., Jelonnek J., Ives L., Collins G., Experimental investigations of a 15 kW/28 GHz second harmonic CW gyrotron designed for evaluation of new emitter technologies. Proc. 9th Int. Workshop "Strong Microwaves and Terahertz Waves: Sources and Applications", July 24-30, 2014, Nizhny Novgorod, Russia, pp. 162-163.
  19. CST Particle Studio Overview. [Электронный ресурс]. URL: https://www.cst.com/Products/CSTPS (дата обращения 01.11.2017).