Двухзазорный резонатор для миниатюрных многолучевых микроволновых приборов клистронного типа, выполненный на основе полосковой линии с подвешенной керамической подложкой

Мирошниченко Алексей Юрьевич; Царев Владислав Алексеевич

УДК 621.382

А. Ю. Мирошниченко, В. А. Царев Саратовский государственный технический университет

им. Гагарина Ю. А.

Двухзазорный резонатор для миниатюрных многолучевых микроволновых приборов клистронного типа, выполненный на основе полосковой линии с подвешенной керамической подложкой1

Представлены результаты численных исследований параметров миниатюрных спиральных двухзазор-ных резонаторов, выполненных на основе полосковой линии с подвешенной керамической подложкой. Показано, что они могут иметь две кратные частоты, соответствующие противофазному и синфазному видам колебаний. Рассмотренные резонаторы предназначены для использования в качестве колебательных систем вакуумных многолучевых микроприборов клистронного типа с матричными автоэмиссионными катодами с выходной мощностью в импульсном режиме 100...500 Вт, работающих на частотах выше 9 ГГц.

Двухзазорный резонатор, многолучевой СВЧ-генератор, автоэмиссия, двухмодовый режим взаимодействия, полосковая линия, подвешенная керамическая подложка

В связи с появлением новых высокоэффективных СВЧ-приборов клистронного типа с матричными автоэмиссионными катодами (МАЭК) возникает острая необходимость в разработке миниатюрных резонаторов, изготавливаемых в едином технологическом цикле с катодами этих вакуумных интегральных схем [1]. К таким колебательным системам можно отнести резонаторы, выполненные на полосковых линиях с подвешенной диэлектрической подложкой. Обычно они используются в качестве пассивных элементов фильтровых систем [2], однако возможно их использование и в активных устройствах вакуумной электроники с двухзазорными резонаторами, например в СВЧ-приборах клистронного типа [3]. В таких колебательных системах основной резонансной модой является противофазный (ТЕМ) вид колебаний с длиной волны 1*1 и частотой /, возбуждаемый либо в четвертьволновой, либо в полуволновой полосковой резонансной линии, нагруженной на емкость двойного зазора. На практике, как правило, достаточно знать, как ведет себя вторая мода относительно первой, т. е. кратность частот К = /2//1. Второй модой является низший объемный (синфазный) вид колебаний Е010 с длиной волны %2 и частотой /2.

Обычно он отличается по частоте от основного

вида в 1.5___1.8 раза, и на колебании этого вида

резонатор также имеет сравнительно высокое характеристическое сопротивление. Более высокие по частоте объемные моды, а также высшие "по-лосковые" моды не представляют интереса для исследования, поскольку на них трудно обеспечить хорошее взаимодействие с многолучевым электронным потоком.

Особый интерес для повышения КПД миниатюрных приборов клистронного типа представляет создание двухзазорных резонаторов с кратными частотами основного и первого высшего видов колебаний [4], [5].

Разработка и проектирование подобных резонансных систем для двухмодового режима работы микроприборов сталкиваются с большими трудностями, связанными со сложным спектром собственных частот и с неоднородным характером распределения электрического ВЧ-поля в пространстве взаимодействия. Оптимизация параметров таких резонаторов с целью обеспечения кратного двухмодового возбуждения колебаний также затруднена из-за большого количества влияющих факторов. Все это делает актуальным автоматизированное проектирование многомодовых колебательных систем с применением современного про-

1 Исследование выполнено при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, соглашение № 14.B37.21.0909 "Исследование физических процессов в мощных многолучевых СВЧ электровакуумных приборах с электродинамическими системами, выполненными на основе многомодовых резонаторов".

А-А

№

H

6 3

и

Рис. 1

граммного обеспечения, реализующего трехмерные численные методы расчета.

В настоящей статье описано исследование с помощью программы ЗБ-компьютерного моделирования REZON [6] двухмодового режима возбуждения двухзазорного резонатора с отношением частот K = 2 и Э.

В результате численных расчетов найдены оптимальные параметры конструкций четвертьволнового (рис. 1, а) и полуволнового (рис. 1, б) резонаторов, позволяющих осуществить одновременное возбуждение на кратных длинах волн (противофазный вид колебаний - на длине волны l, синфазный вид колебаний - на длине волны I2). На рис. 1 обозначены: 1 - корпус резонатора, 2 -центральная втулка, 3 - пролетный канал, 4 - диэлектрическая подложка, 5 - полосковый проводник, 6 - боковые крышки резонатора. Характерные размеры резонаторов: R1 = 1.45 мм, = 2.Э1 мм, R3 = 2.56 мм, R4 = 0.Э05 мм, R5 = 0.81 мм, H = = 2.4 мм, L = 1.4 мм, D = 7.Э4 мм, w = 1.26 мм, a = 0.Э5 мм, d = 0.Э5 мм, h = 1.0 мм, t = 0.2 мм.

В процессе расчетов варьировались следующие параметры: D - диаметр резонатора, l -длина внутреннего проводника и er - относительная диэлектрическая проницаемость подложки (в пределах 4 до 30 единиц). Установлено, что относительная длина волны l = mXm/D низшего

синфазного вида колебаний (m = 2) определяется в основном диаметром резонатора и слабо зависит от длины l полоскового проводника и его

ширины. Исследования показали, что она растет с увеличением относительной диэлектрической проницаемости подложки ег. Эта зависимость (рис. 2) имеет одинаковый вид как для полуволнового, так и для четвертьволнового резонаторов.

На рис. 3 приведены зависимости относительной длины волны низшего противофазного вида колебаний для полуволнового (кривая 1) и четвертьволнового (кривая 2) резонаторов от интегрального параметра, учитывающего относительную длину полосковых элементов 1/0 и диэлектрическую проницаемость подложки. Из ри-

l

0.45

m = 2

0.40

0.1 0.3 0.5 0.7 0.9 1.1 1Дer

Рис. 2

l

8 -

6 -

4 2

8 12 16 20 (2pl/D)Ve~

Рис. 3

L

t

d

б

а

сунка следует существенная зависимость длины волны от указанных составляющих интегрального параметра.

Таким образом, как для четвертьволнового, так и для полуволнового резонаторов можно за счет изменения длины внутреннего проводника I (т. е. изменением угла а1) практически независимо изменять частоту противофазного вида колебаний, а настройку на синфазный вид при выбранном значении диэлектрической проницаемости осуществлять подбором диаметра резонатора.

На рис. 4 приведены зависимости коэффициента масштаба Кт = А^/(тАт) от относительной

длины волны А = тАт/Б, т = 1, 2, 3 , _; Ат -длина волны соответствующего вида колебаний. На этом рисунке зависимости 1-4 относятся к полуволновому резонатору, зависимости 5-8 - к четвертьволновому резонатору. Зависимости 3, 4, 7, 8 построены для т = 1; зависимости 1, 2 - для т = 2; зависимости 5, 6 - для т = 3. Зависимости 1, 3, 5, 7 характеризуются значением Б/(2Rl) = 2.76, зависимости 2, 3, 6, 5 - значением Б/ (2Rl) = 2.53. Из этих зависимостей следует,

что в полуволновом резонаторе кратность частот, равная двум, наблюдается при относительной длине 1 = 4.2 к 4.3, а для четвертьволнового резонатора кратность частот, равная трем, наблюдается при 1 = 6.6... 6.8.

На рис. 5 отражены результаты расчета эффективности взаимодействия электронов с ВЧ-полями исследуемого двухзазорного резонатора, построенные как зависимости относительной активной шунтирующей электронной проводимости Ое/Оо и коэффициента эффективности взаимодействия М от статического угла пролета ©0 = ю( 2й + Ь)/Уо (^ - скорость пучка), проведенного при следующих значениях параметров:

<Л/а = 1, Ь/а = 4, (2й + Ь )/ а = 6 и при микро/ 3/2

первеансе одного луча 0.3 мкА/В ' . При анализе зависимостей следует учитывать, что для синфазного вида колебаний значения угла пролета должны быть умножены на коэффициент 2 по отношению к противофазному виду колебаний.

Для реализации высокоэффективного двух-модового режима взаимодействия с кратными частотами ( К = 2) в автогенераторных приборах необходимо так выбирать статический угол пролета ©0, чтобы относительная активная шунтирующая электронная проводимость Ое / О0 имела бы максимальное отрицательное значение, а коэффициент взаимодействия М был достаточно велик как при противофазных, так и при синфазных колебаниях. В случае же работы резонатора в составе усилителя величина Ое/О0 должна быть положительной, чтобы предотвратить самовозбуждение прибора.

Таким образом, установлено, что в двухзазор-ных резонаторах, выполненных на основе полос-ковой линии с подвешенной керамической подложкой могут быть реализованы режимы возбуждения с кратностью К = 2 для полуволновой конструкции и с кратностью К = 3 для четвертьволновой конструкции. Компромиссным выбором материала подложки и подбором значения угла пролета можно создать миниатюрную колебательную систему, позволяющую реализовать высокоэффективное взаимодействие с электронным пучком в двухмодовом режиме на частотах выше 9 ГГц. Для резонатора не требуются высокие значения собственной добротности, так как потери в диэлектрике и в проводниках могут быть скомпенсированы за счет выбора необходимого значения отрицательной электронной проводимости, вносимой модулированным по плот-

К

т

3.0 2.8 2.6 2.4 2.2 2.0 1.8

3

2 У/ 3 -2£

II

5 П

УД II 6 11

1А_ь

5 6

Рис. 4

М,

Ое/О0 0.8

0.6

0.4

0.2

0

- 0.2 - 0.4

т М Ое/О0

1 ___

2 ___

24

д.// Ч/

Рис. 5

т©0

4

7

А

ности электронным потоком в резонатор. Режим с кратностью частот К = 2 может быть использован для повышения КПД генераторных и усилительных микроприборов с матричными автоэмиссионными катодами. Режим с кратностью частот К = 3 может быть использован в миниатюрных клистродах-умножителях частоты.

Исследованный резонатор имеет малые размеры и массу, повышенную устойчивость к воздействию ударов и вибрации. Примененная при его изготовлении пленочная технология обеспе-

чивает высокую точность изготовления мелкоструктурных элементов системы с жесткими допусками и автоматизацию производства резонаторов. Цена таких приборов при массовом выпуске может быть сравнительно небольшой.

Полученные результаты могут быть использованы при разработке новых вакуумных типов многолучевых микроприборов клистронного типа с матричными автоэмиссионными катодами с выходной мощностью 100...500 Вт в импульсном режиме, работающих на частотах выше 9 ГГц.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Analysis of the possibility of performing microminiature low-voltage electronic devices for vacuum millimeter-wavelength integral circuits / Yu. V. Gulyaev, I. S. Nefyodov, A. V. Nechaev et al. // Proc. Int. conf. on millimeter and submillimeter waves and fpplications. San-Diego, Calif., USA., Jan., 10-14, 1994. Bellingham, WA, USA: SPIE, 1994. P. 159-165.

2. Tyumev V. V., Dovbysh I. A. Resonant properties of double-wire suspended stripline resonator // Microwave & telecommunication technology: Proc. of 15th int. Crimean conf. Sevastopol, Ukraine, Sep., 12-16,, 2005. Sevastopol, Ukraine: Weber, 2005. Vol. 2. P. 487-489.

3. Пат. RU 1723944 C. МПК H01J25/12. Клистрон / В. А. Царев, В. М. Клокотов, Р. Н. Фисенко. Опубл. 15.12.1994.

4. Пат. RU 2037903 C1. МПК6 H01J23/18. Резонатор для несинусоидального сигнала / В. М. Клокотов, В. А. Царев, В. И. Ширшин. Опубл. 19.06.1995.

5. Пат. RU 2457572 C1. H01J25/20 (2006.01). СВЧ-гене-ратор с матричным автоэмиссионным катодом с отражением электронного потока / В. А. Царев, А. Ю. Мирошниченко, Н. А. Акафьева. Опубл. 27.07.2012. Бюл. № 21.

6. Мучкаев В. Ю., Царев В. А. REZON // Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2011611748 от 24.02.2011.

A. Yu. Miroshnichenko, V. A. Tsarev Saratov state technical university n. a. Gagarin Yu. A.

Two-gap resonator for small-size multi-beam microwave klystron devices on basis of a stripline with suspended ceramic substrate

The results of digital investigation of characteristics the small-size spiral two-gap resonators on basis of a strip line with suspended ceramic substrate are presented. Such resonators can be tuned in two frequencies corresponded to antiphase and in-phase mode of oscillations. Considered resonators are intended for using as resonance cavities for multi-beam microwave klystron devices with matrix field emission cathodes that could have output power 100-500 W in pulse mode and operation frequency above 9 Ghz.

Two-gap resonator, multi-beam microwave oscillator, field emission, dual-mode interaction, strip line, suspended ceramic substrate

Статья поступила в редакцию 12 мая 2013 г.