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
2019, № 12 · PHYSICAL PROBLEMS OF ELECTRONICS

Optimization of structure and output parameters of a power broad-band two-barrel klistron for deep space communication systems

V.A. Tsarev1,2,3,4, D.A. Nesterov3,4

1 Саратовский государственный технический университет им. Гагарина Ю.А, Saratov, Russia
2 Yuri Gagarin Saratov State Technical University, Saratov, Russia
3 АО «НПП «Алмаз», Russia
4 JSC “R&D “Almaz”
Full text (PDF) DOI: 10.30898/1684-1719.2019.12.9 UDC 621.385.624 EDN IVHOEU

Abstract

The article presents the results of computational modeling for double-beam X-band klystron designed to use in the deep space communications system transmitters. As a result of performed calculations in 1D program “AJDISK”, it was established that the new device at an accelerating voltage of 16 kV can provide the following output parameters: CW output power level - 24 kW, an efficiency - 33%, a bandwidth - 90 MHz and a gain - 44 dB. A structural feature of the intermediate resonators is the using of metal rods to create a defect in the resonator, by analogy with the photonic crystal resonators (PBG). The intermediate resonators were tuned to an intended resonant frequency by changing a diameter and a location of these rods in the defect zone.

  • наземная дальняя космическая связь
  • X-диапазон
  • двухствольный клистрон
  • 3D моделирование
  • фотонно-кристаллический резонатор с запрещенной зоной
  • кпд
  • полоса усиления
  • ground deep space communication
  • X-band
  • two-barrel klystron
  • 3D modeling
  • Photonic band gap resonator
  • efficiency
  • amplification band
Аннотация (на русском)

Оптимизация конструкции и выходных параметров мощного широкополосного двухствольного клистрона для систем дальней космической связи

В статье представлены результаты численного моделирования двухлучевого клистрона Х-диапазона, предназначенного для использования в передатчиках системы дальней космической связи. В результате расчетов, проведенных с помощью 1D программы “AJDISK”, было установлено, что новый прибор может обеспечить при ускоряющем напряжении 16 кВ следующие выходные параметры: уровень выходной непрерывной мощности 24 кВт, КПД 33%, ширину полосы усиления 90 МГц и коэффициент усиления 44 дБ. Особенностью конструкции промежуточных резонаторов является, по аналогии с фотонно-кристаллическими резонаторами (PBG), использование металлических стержней для создания дефекта в резонаторе. С помощью изменения диаметра и местоположения этих стержней в дефектной зоне осуществлялась настройка промежуточных резонаторов на заданную резонансную частоту.

For citation

Tsarev V.A., Nesterov D.A. Optimization of structure and output parameters of a power broad-band two-barrel klistron for deep space communication systems // Journal of Radio Electronics. – 2019. – No. 12. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2019.12.9

References

  1. Bin Shen, Yaogen Ding, Sandalov A.N., Chashurina A.N. Computer simulations of 100 kW L-band CW broadband multi-beam klystron // IEEE Transaction on Electron Devices. 2005. No 5. P. 889.
  2. Nusinovich G., Levush B., Abe. D. A Review of the Development of Multiple-Beam Klystrons and TWTs // USA, McLean: Naval Research Laboratory, 2003. 45 p. URL: https://www.researchgate.net/publication/235166704_A_ Review_of_the_Development_of_Multiple-Beam_Klystrons_and_TWTs (дата обращения 24.10.2019).
  3. Борисов Л., Щелкунов Г. Мощные и сверхмощные СВЧ-источники: от клистронов до нового класса приборов // Электроника НТБ. 2012. № 4. С. 58-64. URL: http://www.electronics.ru/files/article_pdf/3/article_3288_906.pdf (дата обращения 24.10.2019).
  4. Пат. 2483386, RU, МПК7 H 01 J 25/00, Мощный широкополосный клистрон / В.А. Царев, В.И. Ширшин, В.В. Муллин, В.К. Семенов, П.А. Пичугин - опубл. 27.05.13 в бюл. № 15. URL: http://www.freepatent.ru/patents/2483386 (дата обращения 24.10.2019).
  5. Vodonos Ya. I., Conroy B.L., Losh D.L., Silva A. Advances in Ground Transmitters for the NASA Deep Space // Proceedings of the IEEE. 2007. No 10. P. 1945-1957. DOI: 10.1109/JPROC.2007.905050.
  6. Царев В.А., Ширшин В.И. Мощный широкополосный усилительный клистрон Х-диапазона частот с выходной непрерывной мощностью 12,5 кВт // Электронная техника. Серия 1: СВЧ-техника, 2013. № 3(518). С. 101-107.
  7. Vicente C., Gahete C. Feasibility Study of an All European Klystron for Deep Space Communications // ESA.INT: European Space Agency. URL: http://gsp.esa.int/documents/10192/43064675/C102484ExS.pdf/9be696e0-cb4c-446e-91a1-7d668380626d (дата обращения 24.10.2019).
  8. Microwave Power Products Division // CPII.COM: Communication & Power Industries. URL: http://www.cpii.com/product.cfm/1/20/48 (дата обращения 24.10.2019).
  9. Touv A.A. X-Band high power broadband low-voltage multi-beam klystron amplifier with two-barrel design // Proceedings of International University Conference "Electronics and Radiophysics of Ultra-High Frequencies", St. Petersburg, May 1999. P. 83-85. DOI: 10.1109/UHF.1999.787884.
  10. Тув A.A. Трехсантиметровый мощный широкополосный низковольтный многолучевой усилительный клистрон двухствольной конструкции // Радиотехника. 2000. №2. С. 51-53.
  11. Мучкаев В.Ю., Царев В.А. REZON // Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2011611748 от 24.02.2011 г. 1 с.
  12. Yablonovitch E. Inhibited Spontaneous Emission in Solid-State Physics and Electronics // Phys. Rev.Lett. 1987. Vol. 58. No 20. P.2059-2062. DOI: 10.1109/UHF.1999.787884.
  13. Sirigiri J.R., Kreischer K.E., Machuzak J., Mastovsky I. Photonic-band-gap resonator gyrotron // Phys. Rew. Lett. 2001. Vol. 86. No 24. P.5628-5631. DOI: 10.1103/PhysRevLett.86.5628.
  14. Shapiro M.A., Brown W.J., Mastovsky I., Sirigiri J.R., Temkin R.J. 17 GHz photonic band gap cavity with improved input coupling // Phys. Rev. ST Accel. Beams. 2001. Vol. 4. P.7. DOI: 10.1103/PhysRevSTAB.4.042001.
  15. Robak S., Boyden D., Shin Y.-M. RF-components embedded with photonic-band-gap (PBG) and fishnet-metamaterial structures for high frequency accelerator application // Proceedings of PAC2013, Pasadena, CA USA, Convention center, Pasadena, 29 sept.-4 oct. 2013. P. 102-104. URL: https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1502/1502.02064.pdf (дата обращения 24.10.2019).
  16. Jensen Aaron, Fazio Michael, Neilson Jeffrey, Scheitrum Glenn. Developing sheet beam klystron simulation capability in AJDISK // IEEE Trans. Electron Devices. 2014. Vol. 61. No 6. P.1666-1671.