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
2023, № 11 · PHYSICAL PROBLEMS OF ELECTRONICS

Numerical simulation of operation of two gyrotrons with a common resonant reflector

Y. Novozhilova1, A.A. Bogdashov1, A.V. Nazarovsky1, A.P. Fokin1, M. Glyavin1, G.G. Denisov1

1 Federal Research Center A.V. Gaponov-Grekhov Institute of Applied Physics of the Russian Academy of Sciences, Nizhnii Novgorod, Russia
Full text DOI: 10.30898/1684-1719.2023.11.22 UDC 537.86 EDN TVWMKE

Abstract

The generation regimes of two gyrotrons with a common narrow-band resonant reflector were studied using numerical simulation in the approximation of a fixed field structure. The dependences of the output power and generation efficiency, frequency and phase of oscillations of each gyrotron on system parameters, such as the driving magnetic field, mutual detuning of the gyrotrons’ eigen frequencies and the phase delay of the reflected wave, have been calculated. Using the example of gyrotrons at a frequency of 28 GHz with an output power of up to 10 kW, the possibility of stabilizing the radiation frequency of two gyrotrons when part of their power is reflected from an external high-Q resonator was demonstrated. It is shown that even if the eigen frequencies of the gyrotron resonators and the delay phases of the reflected wave do not coincide, it is possible to obtain frequency-stable states in which the phase difference of the gyrotrons does not depend on time and on the initial conditions, while the radiation power of each gyrotron exceeds the power of autonomous generation.

  • gyrotron frequency locking
  • numerical simulation
  • reflection from a high-Q resonator
Аннотация (на русском)

Моделирование режимов генерации двух гиротронов с общим резонансным отражателем

Путем численного моделирования в приближении фиксированной структуры поля исследованы режимы генерации двух гиротронов с общим узкополосным резонансным отражателем. Построены зависимости выходной мощности и КПД генерации, частоты и фазы колебаний каждого гиротрона от параметров системы, таких как ведущее магнитное поле, взаимная отстройка собственных частот гиротронов и запаздывание отраженной волны. На примере гиротронов на частоте 28 ГГц с выходной мощностью до 10 кВт продемонстрирована возможность стабилизации частоты излучения двух гиротронов при отражении части их мощности от внешнего высокодобротного резонатора. Показано, что даже при несовпадении собственных частот резонаторов гиротронов и фаз запаздывания отраженной волны возможно получение стабильных по частоте состояний, в которых разность фаз гиротронов не зависит от времени и от начальных условий, при этом мощность излучения каждого гиротрона превышает мощность автономной генерации.

For citation

Novozhilova Y., Bogdashov A.A., Nazarovsky A.V., Fokin A.P., Glyavin M., Denisov G.G. Numerical simulation of operation of two gyrotrons with a common resonant reflector // Journal of Radio Electronics. – 2023. – No. 11. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2023.11.22

References

  1. Thumm M. K. A. et al. High-power gyrotrons for electron cyclotron heating and current drive // Nuclear Fusion. - 2019. - Т. 59. - №. 7. - С. 073001.
  2. Othman M. A. K. et al. Experimental demonstration of externally driven millimeter-wave particle accelerator structure // Applied Physics Letters. - 2020. - Т. 117. - №. 7.
  3. Mizojiri S. et al. Subterahertz wireless power transmission using 303-GHz rectenna and 300-kW-class gyrotron // IEEE Microwave and Wireless Components Letters. - 2018. - Т. 28. - №. 9. - С. 834-836.
  4. Fukunari M. et al. Rocket propulsion powered using a gyrotron // Journal of Energy and Power Engineering. - 2017. - Т. 11. - №. 6. - С. 363-371.
  5. Sintsov S. V. et al. Decomposition of carbon dioxide in a discharge maintained by continuous focused sub-terahetz radiation at atmospheric pressure // Technical Physics Letters. - 2023. - Т. 49. - № 1. С. 44.
  6. Bakunin V. L., Denisov G. G., Novozhilova Y. V. Frequency and phase stabilization of a multimode gyrotron with megawatt power by an external signal // Technical Physics Letters. - 2014. - Т. 40. - С. 382-385.
  7. Kuftin A. N. et al. First demonstration of frequency-locked operation of a 170 GHz/1 MW gyrotron // IEEE Electron Device Letters. - 2023.
  8. Glyavin M. Y. et al. Stabilization of gyrotron frequency by reflection from nonresonant and resonant loads // Technical Physics Letters. - 2015. - Т. 41. - С. 628-631.
  9. Zotova I. V. et al. Frequency locking and stabilization regimes in high-power gyrotrons with low-Q resonators // Radiophysics and Quantum Electronics. - 2016. - Т. 58. - С. 684-693.
  10. Novozhilova Y. V., Ishenko A. S. Analytical theory of an RF generator phase-locked by the resonant load with delayed reflection // Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves. - 2011. - Т. 32. - С. 1394-1406.
  11. Fokin A. P. et al. Experimental demonstration of gyrotron frequency stabilization by resonant reflection // IEEE Electron Device Letters. - 2021. - Т. 42. - №. 7. - С. 1077-1080.
  12. Nusinovich G. S.Introduction to the Physics of Gyrotrons. - JHU Press, 2004.
  13. Богдашов А. А. и др. Резонансные отражатели для экспериментального исследования влияния отраженного сигнала на режимы работы гиротронов // Известия вузов. Радиофизика. - 2020. - Т. 63. - №. 5-6.
  14. Новожилова Ю.В., Богдашов А.А., Глявин М.Ю., Денисов Г.Г., Фокин А.П., Назаровский А.В., Розенталь Р.М. Исследование возможности стабилизации частоты двух гиротронов при воздействии отражения от внешнего высокодобротного резонатора // Журнал радиоэлектроники. -2023 - №12.