The study of the principles of constructing of broadband oscillatory microwave systems on the example of a Fabry-Pérot interferometer

Abstract

In telecommunications and radar systems of the centimeter and millimeter wave ranges, span klystrons are widely used as medium and high power amplifiers. The use of high-quality resonators makes it possible to realize high efficiency and amplification factors. However, typical designs of 2 - 4 resonator klystrons have a bandwidth of 0.1 - 0.5 % due to the need to use resonators with a high Q - factor. The well-known method of expanding the amplified frequency band in the centimeter range up to 7 - 12 % and in the millimeter range up to 1 - 2 % consists in tuning the frequency of the intermediate klystron resonators by several percent of the central amplification frequency. But in this case, it is required to use 10 - 12 resonators. The authors of the work discovered that when a millimeter range electromagnetic wave is reflected from an electrodynamics system in the form of a metal film on the surface of a semiconductor layer, the input resistance phase-frequency characteristic of this system consists of a chain of frequency intervals with turnings from a positive phase-frequency characteristic to a negative one and vice versa. The possibility of constructing a phase shifter with a negative phase frequency response based on this phenomenon is demonstrated and its application for expanding the resonant frequency band is considered on the example of the Fabry - Perot interferometer model. This resonator contains a phase shifter in the form of a semiconductor layer F with a thickness D _F , a conductivity σ _F , a relative dielectric e _F and a magnetic m _F permeability. The outer surface of the layer F contains a metal mirror, and the inner surface is adjacent to the layer W . The layer W which has the thickness of D _W , e _W , m _W forms the internal space of the resonator. The external environment I with m _I and e _I . adjoins the layer W. A plane electromagnetic wave propagates in I media so that it excites the resonator at a wavelength of l₀. The use of a phase shifter makes it possible to increase the resonant wavelength band Δl/l₀ by 2 - 4 times and with an electromagnetic field amplification coefficient |G(l)| in the W layer by 10 - 20 times (the value of Dl/l₀ corresponds to 0.707 max |G(l₀)|). An increase of σ _F leads to an amplitude-frequency characteristic transforming of the field gain function G(l₀) from two maxima to one maximum form with a transition through a flat top. In this case max |G(l₀)| decreases and Dl/l₀ increases. For the case, when the function |G(l)| has a flat top, an increase in the wave resistance ρ _W of the layer W with a corresponding decrease in s _F and optimal values of D _W leads to an increase in |G(l₀)|. When this occurs, Dl/l₀ becomes lower.

• broadband resonator
• phase shifter with negative phase-frequency response
• semiconductor

Аннотация (на русском)

Изучение принципов построения широкополосной колебательной СВЧ системы на примере резонатора Фабри-Перо

Конструкции клистронов с 2 - 4 резонаторами обеспечивают большой КПД и высокий коэффициент усиления, но полоса усиливаемых частот составляет 0,1… 0,5 % из-за применения резонаторов с большой добротностью. Известный метод расширения полосы усиливаемых частот в сантиметровом диапазоне до 7…12 % и в миллиметровом до 1…2 % заключается в отстройке резонансной частоты промежуточных резонаторов на несколько процентов от центральной частоты. Но в этом случае требуется использовать 10…12 резонаторов. В работе изучается возможность построения фазовращателя с отрицательной фазочастотной характеристикой для расширения полосы пропускания резонатора. В качестве фазовращателя исследуется система в виде металлической пленки на поверхности слоя полупроводника. Показано, что в миллиметровом диапазоне волн при отражении плоской электромагнитной волны от поверхности полупроводника фазочастотная характеристика входного сопротивления системы состоит из цепочки частотных интервалов с переходами от положительной характеристики к отрицательной характеристике и наоборот. Рассматривается применение фазовращателя в многослойном резонаторе типа Фабри-Перо. Показана возможность расширения в 2 - 4 раза резонансной полосы длин волн Δl/l₀ при усилении в 10 - 20 раз электрического поля во внутреннем слое W резонатора (Dl/l₀ соответствует 0.707 max |G (l₀)|, где G(l) - функция усиления поля, l₀ - резонансная длина волны). Увеличение проводимости полупроводника s _F приводит к преобразованию амплитудно-частотной характеристики G(l) с двумя максимумами к форме с одним максимумом с переходом через плоскую вершину. При этом значение max |G(l₀)| уменьшается, а Dl/l₀ увеличивается. Для случая, когда характеристика функции G(l) имеет плоскую вершину, увеличение волнового сопротивления слоя W при одновременном уменьшении s _F и выборе оптимальной толщины слоя W приводит к увеличению max<sub />|G (l₀)|. Но значение Dl/l₀ уменьшается.

For citation

References

1. Кулешов В. Н., Удалов Н. Н., Богучаев В. М. и др. Генерирование колебаний и формирование радиосигналов. - М.: МЭИ, 2008. - 416 с.
2. Клемпитт Л. Мощные электровакуумные приборы СВЧ. Пер. с англ. / Л. Клемпитт. - М.: Мир, 1974. - 134 с.
3. А. В. Ляшенко, В. П. Ерёмен, А. И. Тореев. Усилительные приборы типа О миллиметрового диапазона. // Прикладная физика, № 5, 2009, с. 119 - 132.
4. Канавец В. И. Нелинейные процессы в мощных многорезонаторных клистронах и оптимизация их параметров (в сборнике. III зимней школы-семинара инженеров. Кн. 7) / В. И. Канавец, В. М. Лопухин, А. Н. Сандалов. - Саратов: изд. Саратовского ун-та, 1974. - С. 243 - 245.
5. Канавец В. И. О получении высоких КПД в мощных широкополосных клистронах (в сборнике VI Всесоюзного семинара "Колебательные явления в потоках заряженных частиц"). / В. И. Канавец, А. Н. Сандалов, А. И. Слепков. - Л.: изд-во СЗПИ, 1978. - С. 6 - 9.
6. Востров М. С., Швец С. В. Широкополосные многолучевые клистроны 2-сантиметрового диапазона на двухзазорных резонаторах. // Электроника и вакуумная техника: приборы и устройства, технология, материалы: Материалы научно-технической конференции молодых специалистов. - Саратов: изд-во Саратовского ун-та, 2004. - 208 с.
7. Каталог фирмы "Varian" Extended Interaction Klystron Selection Guide, 1986.
8. CPI Canada and the millimeter wave klystron (information site). Website: http//www.cpii.com/cmp
9. Брунов Б. Я., Теория электромагнитного поля / Б. Я. Брунов, Л. М. Гольденберг, И. Г. Кляцкин, Л. А. Цейтлин. - М.-Л.: Госэнергоиздат, 1962. - 512 с.
10. Дьяконов В. П. Математика 5.(5.1/5.2) / 6.0.7.0. Полное руководство / В. П. Дьяконов - М.: ДМК Пресс, 2010, - 624 с.