eng
Выпуск #4/2025
В. Соляник, А. Мирошниченко, В. Царев, Н. Акафьева
ДВУХЗАЗОРНЫЙ ЕМКОСТНО-НАГРУЖЕННЫЙ ОБЪЕМНЫЙ РЕЗОНАТОР ДЛЯ МНОГОЛУЧЕВОГО КЛИСТРОНА
ДВУХЗАЗОРНЫЙ ЕМКОСТНО-НАГРУЖЕННЫЙ ОБЪЕМНЫЙ РЕЗОНАТОР ДЛЯ МНОГОЛУЧЕВОГО КЛИСТРОНА
Просмотры: 917
DOI: 10.22184/1992-4178.2025.245.4.50.58
Исследованы электродинамические и электронные параметры двухзазорного емкостно-нагруженного резонатора для многолучевого клистрона. Особенностью конструкции резонатора является использование элемента грибовидной формы и дополнительных стержней по периметру. Получены результаты моделирования при различных размерах элементов конструкции резонатора.
Исследованы электродинамические и электронные параметры двухзазорного емкостно-нагруженного резонатора для многолучевого клистрона. Особенностью конструкции резонатора является использование элемента грибовидной формы и дополнительных стержней по периметру. Получены результаты моделирования при различных размерах элементов конструкции резонатора.
Теги: characteristic impedance double-gap capacitively loaded cavity resonator electronic parameters intrinsic q-factor multibeam klystron (mbk) mushroom-shaped structure photonic band gap (pbg) structures resonant frequency substrate integrated waveguide (siw) грибовидная структура двухзазорный емкостно-нагруженный объемный резонатор интегрированные в подложку волноводы (ипв) многолучевой клистрон (млк) резонансная частота собственная добротность фотонно-кристаллическая структура характеристическое сопротивление электронные параметры
Двухзазорный емкостно-нагруженный объемный резонатор для многолучевого клистрона
В. Соляник1, А. Мирошниченко, д. т. н.2, В. Царев, д. т. н.3, Н. Акафьева, к. т. н.4
В статье представлены результаты исследований электродинамических и электронных параметров двухзазорного емкостно-нагруженного резонатора многолучевого клистрона. Особенностью конструкции резонатора является использование элемента грибовидной формы, что позволяет улучшить электродинамические параметры и уменьшить массу и габариты прибора. Введение в резонатор по периметру дополнительных стержней позволяет получить возможность управления спектром колебаний резонансной системы. Получены результаты моделирования при различных размерах опорного стержня грибовидной структуры, длинах высокочастотных зазоров и размерах стержней по периметру резонатора. Подобный тип резонатора может найти применение в низковольтных миниатюрных многолучевых клистронах для целей телекоммуникации и связи.
ВВЕДЕНИЕ
Многолучевые клистроны (MЛK) находят широкое применение в различных устройствах связи, телекоммуникаций, в технологических установках и работают в различных частотных диапазонах [1–3]. Наряду с мощными приборами уделяется внимание и миниатюрным МЛК [4, 5], а также комплексированным устройствам на базе MЛK [6].
Одним из ключевых элементов MЛK является его резонансная система, от параметров которой во многом зависят выходные параметры прибора в целом. В резонансных системах мощных и сверхмощных приборов в последнее время находят применение фотонно-кристаллические структуры (photonic band gap, PBG), выполненные из металлических или диэлектрических стержней, которые могут обеспечить эффективное управление спектром электромагнитных колебаний [7,8].
Наряду с этим в последние годы широкое распространение получают планарные структуры – так называемые интегрированные в подложку волноводы и резонаторы (ИПВ) [9], в зарубежной литературе называемые substrate-integrated waveguide (SIW), которые изготавливаются методами интегральной технологии, имеют умеренные габариты, малый вес и низкую себестоимость изготовления в сравнении с традиционными металлическими волноводами и резонаторами. В основном они используются для создания СВЧ-фильтров с уменьшенными габаритами и малыми вносимыми потерями. Также в ряде статей, например в [10, 11], отмечается, что перспективным направлением является использование резонаторов, нагруженных на емкость, создаваемых на основе ИПВ-технологии, в частности применение элементов грибовидной формы. Введение емкостной нагрузки позволяет существенно уменьшить размеры резонатора без значительного снижения собственной добротности. При этом отношение резонансных частот высших гармоник к частоте основной моды у емкостно-нагруженных объемных резонаторов возрастает, что позволяет эффективно подавлять внеполосные сигналы.
На наш взгляд, интересным решением является использование технологии ИПВ в объемных клистронных резонаторах с емкостными грибовидными элементами в виде диска. В резонансных системах клистронного типа подобные конструкции до сих пор не применялись.
Целью настоящей статьи является проведение с помощью численных методов трехмерного электромагнитного анализа двухзазорного резонатора с емкостной нагрузкой грибовидной формы в виде диска, на котором расположены центральные пролетные электроды для прохождения электронного потока.
Конструкция двухзазорного емкостно-нагруженного объемного резонатора
Конструкция резонатора представлена на рис. 1. Он состоит из объемного корпуса прямоугольного сечения 1, внутри которого по периметру расположены два ряда металлических стержней 2. Такое расположение стержней подобно расположению металлизированных отверстий в ИПВ-резонаторах или стержней в фотонно-кристаллических структурах. Для увеличения емкостной нагрузки внутри резонатора располагается тонкий диск 3, размещенный на опорном стержне 4, закрепленном на боковой стенке резонатора. Введение емкостной нагрузки в объемный резонатор приводит к изменению резонансных частот не только первой моды, но и высших гармоник. На диске размещены восемь центральных электродов 5, имеющих отверстия для пролета электронного потока 6, которые образуют многоканальную систему. На боковых стенках резонатора располагаются боковые пролетные электроды 7. Между центральными и боковыми электродами образуются восемь высокочастотных зазоров резонатора 8. Такая резонансная структура обладает свойствами объемного резонатора прямоугольного сечения и имеет габариты, меньшие, чем у аналогичного объемного резонатора волноводного типа.
Результаты моделирования
Расчет резонатора проводился методом конечных элементов в диапазоне частот от 1 до 22 ГГц. Результаты одного из вариантов расчета резонатора при диаметре стержней 0,6 мм приведены в табл. 1.
Исследования показали, что частота основной π-моды достаточно далеко отстоит от высших типов колебаний. В частности, отношение f02 / f01 = 2,65; а отношение f03 / f01 = 3,29. Добротность основной π-моды ниже, чем всех остальных, однако для этой моды характеристическое сопротивление максимально. На высших типах колебаний (моды № 5 и 6) добротность резонатора хотя и имеет большие значения, но характеристическое сопротивление невелико. Обычно в клистронах в качестве рабочих мод используются низший тип колебаний, а также первый и второй высшие типы.
Исследование возможности управления спектром колебаний в резонаторе
Известно, что в PBG-структурах можно управлять спектром колебаний с помощью стержней, окружающих дефекты фотонно-кристаллической решетки [7]. В настоящей работе было исследовано влияние диаметра стержней, окружающих структуру резонатора, на электродинамические параметры для трех первых мод резонатора. При этом в качестве критерия оценки выбрано резонансное сопротивление на различных частотах R0n = Q0n·ρn, где Q0n – собственная добротность резонатора, ρn – характеристическое сопротивление. Результаты исследований приведены на рис. 2, где показано влияние изменения радиуса стержней δ на спектры и резонансное сопротивление трех первых мод: низшей π-моды, второй π-моды и третьей 2π-моды.
Было выяснено, что для первой π-моды изменение частоты при увеличении относительного радиуса стержней δ / ∆ от 0,13 до 0,23 составляет около 1%. Однако при этом значительно увеличивается параметр R0n (в 1,8 раза), что говорит о подавлении первой противофазной моды при малом диаметре стержней. Для второй противофазной моды изменение частоты при увеличении δ / ∆ от 0,13 до 0,27 составляет 0,8%. Частота при увеличении δ уменьшается. Но при этом наименьшему значению δ / ∆ = 0,13 соответствует наибольшее значение резонансного сопротивления, а наибольшему значению δ / ∆ = 0,27 – наименьшее значение. Отношение величин R0n составляет 1,3.
Изменение относительного радиуса стержней δ / ∆ оказывает наибольшее влияние на резонансную частоту и резонансное сопротивление на синфазной 2π-моде. Изменение частоты при увеличении δ / ∆ от 0,13 до 0,23 составляет 3,6%, частота при увеличении δ растет. R0n при этом изменяется в три раза. Для этого случая наибольшие значения R0n наблюдаются при наименьшем относительном радиусе стержней δ / ∆ = 0,13, а наименьшие – при δ / ∆ = 0,23. Это может говорить о подавлении высшей 2π-моды при увеличении диаметра стержней по периметру резонатора.
Изучение влияния длины опорного стержня и длины высокочастотного зазора
на электродинамические характеристики
В работе было проведено изучение возможности изменения резонансных частот двухзазорного емкостно-нагруженного объемного резонатора путем изменения длины опорного стержня 4, поддерживающего диск 3 с центральными пролетными электродами 5. При этом также исследовались и другие электродинамические параметры резонатора. При изменении относительной длины стержня hs / H изменяется индуктивность резонансной системы, образованной опорным стержнем и диском, а емкость высокочастотных зазоров постоянна, так как длины зазоров не меняются. По результатам исследований, представленных на рис. 3, можно сделать следующие заключения. Длина опорного стержня оказывает влияние на все моды резонатора. Для первой π-моды зависимость линейна, и отношение частот составляет 1,25 при удлинении стержня в 1,47 раза. Для второй π-моды и синфазной 2π-моды при таком же удлинении стержня частота изменяется в 1,2 раза. Для высших типов колебаний изменение частоты увеличивается: частота меняется в 1,26 раза для моды № 4 и в 1,39 – для моды № 6 при тех же значениях удлинения стержня. Для моды № 6 зависимость становится существенно нелинейной. Характеристическое сопротивление ведет себя на разных частотах по-разному. На первой π-моде видна сильная зависимость ρ от параметра hs / H (уменьшение в 1,3 раза при удлинении опорного стержня). При этом для данной моды значения ρ максимальны. Для второй π-моды наблюдается наименьшее изменение параметра ρ. Для синфазной 2π-моды при удлинении стержня в 1,47 раза характеристическое сопротивление возрастает в 3 раза. На моде № 4 происходит уменьшение параметра ρ в 1,7 раза.
По графикам собственной добротности (см. рис. 3в) можно сделать следующие выводы. Наибольшая добротность отмечается на 2π-моде, она увеличивается на 5,4% при удлинении стержня в 1,47 раза. Низшая π-мода характеризуется собственной добротностью, более чем в два раза меньшей по сравнению с 2π-модой, что связано с большой емкостной нагрузкой резонатора. Для второй π-моды наблюдается небольшое увеличение Q0 – в 1,03 раза, а для двух высших мод можно отметить снижение Q0 на 5–6% при удлинении опорного стержня в 1,47 раза.
Длина высокочастотных зазоров резонатора оказывает существенное влияние как на электродинамические, так и на электронные параметры резонатора. Оценка параметров резонатора при различных длинах зазоров позволяет выбрать оптимальный режим работы.
Результаты исследований изменения резонансной частоты, собственной добротности и характеристического сопротивления при изменении d / a в диапазоне 1,5–2,5 для первых трех мод резонатора приведены на рис. 4. Резонансная частота низшей π-моды увеличивается на 9,3%, второй π-моды – на 7,3%, 2π-моды – на 12,2%. Также отмечается увеличение собственной добротности: для низшей π-моды – на 10,7%, для второй π-моды – на 18,8%, для 2π-моды – на 11,3%.
Характеристическое сопротивление при увеличении d / a от 1,5 до 2,5 на первой и второй моде возрастает, что можно объяснить уменьшением сосредоточенной емкости зазоров. На первой π-моде увеличение составляет около 25%, на второй π-моде – около 15%. На моде № 3 наблюдается неоднородная характеристика, что можно объяснить тем, что поле синфазной моды локализовано в основном в объеме резонатора, и длина высокочастотных зазоров оказывает меньшее влияние на параметр ρ.
Расчет электронных
параметров
В работе проведено исследование поведения электронных параметров резонатора – коэффициента взаимодействия с электронным потоком М и относительной электронной проводимости Ge / G0 – в зависимости от ускоряющего напряжения U0 при изменении последнего в диапазоне от 1 до 10 кВ. Результаты представлены на рис. 5.
По результатам расчета можно сделать следующие выводы. Наилучшее взаимодействие с электронным потоком в резонаторе (максимальное значение М) наблюдается на моде № 1 (π-вид колебаний). При этом диапазон ускоряющих напряжений, при котором обеспечивается режим без самовозбуждения резонатора (положительная электронная проводимость Ge / G0), лежит в диапазоне 1,5–2,2 кВ. Увеличение относительной длины зазоров d / a от 1,5 до 2,5 приводит к незначительному уменьшению значения М (в пределах 0,7%) и сдвигает область оптимального взаимодействия в зону более высоких ускоряющих напряжений.
Для моды № 2 (π-вид колебаний) в низковольтном режиме не обеспечивается оптимальное взаимодействие (максимальное значение М достигается в области 10 кВ). Для моды № 3 (2π-вид колебаний) область оптимальных ускоряющих напряжений при изменении d / a от 1,5 до 2 лежит в диапазоне 3,5–6 кВ. Максимальное значение коэффициента взаимодействия М при изменении относительной длины зазора на такое же значение уменьшается на 6,5%.
Заключение
Исследован вариант резонатора для низковольтного миниатюрного многолучевого клистрона с включением емкостно-нагруженного элемента. Данное решение позволяет снизить массогабаритные параметры резонатора, а также разделить низший противофазный (π-вид) колебаний и высшие типы колебаний резонатора. Введение в резонатор по периметру дополнительных стержней позволяет получить возможность управления спектром колебаний резонансной системы.
Получены результаты моделирования при различных длинах опорного стержня и диаметрах стержней фотонно-кристаллической структуры, что показало возможность настройки резонатора с помощью данных элементов конструкции. Для различных длин высокочастотных зазоров проведены исследования как электродинамических, так и электронных параметров, что позволяет выбрать режим работы резонатора. Подобный тип резонатора может найти применение в миниатюрных многолучевых клистронах для целей телекоммуникации и связи.
ЛИТЕРАТУРА
Ding Y. et al. An overview of multibeam klystron technology // IEEE Transactions on Electron Devices. 2023. V. 70. No. 6. PP. 2656–2665.
Галдецкий А. В., Голованов Н. А. Многолучевые клистроны с радиальным расположением лучей // Электроника и микроэлектроника СВЧ: материалы Всерос. науч.-техн. конф. СПб. 2023. С. 4–9.
Kant D. et al. Design studies for a 2 kW (CW) power L/S band multi beam Klystron // 2018 IEEE International Vacuum Electronics Conference (IVEC). IEEE, 2018. PP. 111–112.
Kumar M. et al. Design of a high frequency miniature multi beam klystron (MBK) // 2011 IEEE International Vacuum Electronics Conference (IVEC). IEEE, 2011. PP. 321–322.
Vostrov M. S. Broadband Miniature Multi-Beam Klystron of Two-Centimeter Wavelength Rangewith Bandwidth Not Less Than 300 MHz and Irregularity of Output Power Not More Than 1,5 dB // 2018 International Conference on Actual Problems of Electron Devices Engineering (APEDE). IEEE, 2018. PP. 232–236.
Kotov A. S., Gelvich E. A., Zakurdayev A. D. Small-size complex microwave devices (CMD) for onboard applications // IEEE transactions on electron devices. 2007. V. 54. No. 5. PP. 1049–1053.
Smirnov A., Newsham D., Yu D. PBG cavities for single-beam and multi-beam electron devices // Proceedings of the 2003 Particle Accelerator Conference. IEEE, 2003. V. 2. PP. 1153–1155.
Jain P. K. et al. Study of metallic photonic Band Gap cavity for high power microwave devices // 2009 Applied Electromagnetics Conference (AEMC). IEEE, 2009. PP. 1–3.
Turgaliev V. et al. Small-size low-loss bandpass filters on substrate-integrated waveguide capacitively loaded cavities embedded in low temperature co-fired ceramics // J. Ceram. Sci. Technol. 2015. V. 6. No. 4. PP. 305–314.Tomassoni C. et al. Substrate-integrated waveguide filters based on mushroom-shaped resonators // International Journal of Microwave and Wireless Technologies. 2016. V. 8. No. 4–5. PP. 741–749.
Sirci S., Martínez J. D., Boria V. E. A novel magnetic coupling for miniaturized bandpass filters
in embedded coaxial SIW // Applied sciences. 2019. V. 9. No. 3. P. 394.
В. Соляник1, А. Мирошниченко, д. т. н.2, В. Царев, д. т. н.3, Н. Акафьева, к. т. н.4
В статье представлены результаты исследований электродинамических и электронных параметров двухзазорного емкостно-нагруженного резонатора многолучевого клистрона. Особенностью конструкции резонатора является использование элемента грибовидной формы, что позволяет улучшить электродинамические параметры и уменьшить массу и габариты прибора. Введение в резонатор по периметру дополнительных стержней позволяет получить возможность управления спектром колебаний резонансной системы. Получены результаты моделирования при различных размерах опорного стержня грибовидной структуры, длинах высокочастотных зазоров и размерах стержней по периметру резонатора. Подобный тип резонатора может найти применение в низковольтных миниатюрных многолучевых клистронах для целей телекоммуникации и связи.
ВВЕДЕНИЕ
Многолучевые клистроны (MЛK) находят широкое применение в различных устройствах связи, телекоммуникаций, в технологических установках и работают в различных частотных диапазонах [1–3]. Наряду с мощными приборами уделяется внимание и миниатюрным МЛК [4, 5], а также комплексированным устройствам на базе MЛK [6].
Одним из ключевых элементов MЛK является его резонансная система, от параметров которой во многом зависят выходные параметры прибора в целом. В резонансных системах мощных и сверхмощных приборов в последнее время находят применение фотонно-кристаллические структуры (photonic band gap, PBG), выполненные из металлических или диэлектрических стержней, которые могут обеспечить эффективное управление спектром электромагнитных колебаний [7,8].
Наряду с этим в последние годы широкое распространение получают планарные структуры – так называемые интегрированные в подложку волноводы и резонаторы (ИПВ) [9], в зарубежной литературе называемые substrate-integrated waveguide (SIW), которые изготавливаются методами интегральной технологии, имеют умеренные габариты, малый вес и низкую себестоимость изготовления в сравнении с традиционными металлическими волноводами и резонаторами. В основном они используются для создания СВЧ-фильтров с уменьшенными габаритами и малыми вносимыми потерями. Также в ряде статей, например в [10, 11], отмечается, что перспективным направлением является использование резонаторов, нагруженных на емкость, создаваемых на основе ИПВ-технологии, в частности применение элементов грибовидной формы. Введение емкостной нагрузки позволяет существенно уменьшить размеры резонатора без значительного снижения собственной добротности. При этом отношение резонансных частот высших гармоник к частоте основной моды у емкостно-нагруженных объемных резонаторов возрастает, что позволяет эффективно подавлять внеполосные сигналы.
На наш взгляд, интересным решением является использование технологии ИПВ в объемных клистронных резонаторах с емкостными грибовидными элементами в виде диска. В резонансных системах клистронного типа подобные конструкции до сих пор не применялись.
Целью настоящей статьи является проведение с помощью численных методов трехмерного электромагнитного анализа двухзазорного резонатора с емкостной нагрузкой грибовидной формы в виде диска, на котором расположены центральные пролетные электроды для прохождения электронного потока.
Конструкция двухзазорного емкостно-нагруженного объемного резонатора
Конструкция резонатора представлена на рис. 1. Он состоит из объемного корпуса прямоугольного сечения 1, внутри которого по периметру расположены два ряда металлических стержней 2. Такое расположение стержней подобно расположению металлизированных отверстий в ИПВ-резонаторах или стержней в фотонно-кристаллических структурах. Для увеличения емкостной нагрузки внутри резонатора располагается тонкий диск 3, размещенный на опорном стержне 4, закрепленном на боковой стенке резонатора. Введение емкостной нагрузки в объемный резонатор приводит к изменению резонансных частот не только первой моды, но и высших гармоник. На диске размещены восемь центральных электродов 5, имеющих отверстия для пролета электронного потока 6, которые образуют многоканальную систему. На боковых стенках резонатора располагаются боковые пролетные электроды 7. Между центральными и боковыми электродами образуются восемь высокочастотных зазоров резонатора 8. Такая резонансная структура обладает свойствами объемного резонатора прямоугольного сечения и имеет габариты, меньшие, чем у аналогичного объемного резонатора волноводного типа.
Результаты моделирования
Расчет резонатора проводился методом конечных элементов в диапазоне частот от 1 до 22 ГГц. Результаты одного из вариантов расчета резонатора при диаметре стержней 0,6 мм приведены в табл. 1.
Исследования показали, что частота основной π-моды достаточно далеко отстоит от высших типов колебаний. В частности, отношение f02 / f01 = 2,65; а отношение f03 / f01 = 3,29. Добротность основной π-моды ниже, чем всех остальных, однако для этой моды характеристическое сопротивление максимально. На высших типах колебаний (моды № 5 и 6) добротность резонатора хотя и имеет большие значения, но характеристическое сопротивление невелико. Обычно в клистронах в качестве рабочих мод используются низший тип колебаний, а также первый и второй высшие типы.
Исследование возможности управления спектром колебаний в резонаторе
Известно, что в PBG-структурах можно управлять спектром колебаний с помощью стержней, окружающих дефекты фотонно-кристаллической решетки [7]. В настоящей работе было исследовано влияние диаметра стержней, окружающих структуру резонатора, на электродинамические параметры для трех первых мод резонатора. При этом в качестве критерия оценки выбрано резонансное сопротивление на различных частотах R0n = Q0n·ρn, где Q0n – собственная добротность резонатора, ρn – характеристическое сопротивление. Результаты исследований приведены на рис. 2, где показано влияние изменения радиуса стержней δ на спектры и резонансное сопротивление трех первых мод: низшей π-моды, второй π-моды и третьей 2π-моды.
Было выяснено, что для первой π-моды изменение частоты при увеличении относительного радиуса стержней δ / ∆ от 0,13 до 0,23 составляет около 1%. Однако при этом значительно увеличивается параметр R0n (в 1,8 раза), что говорит о подавлении первой противофазной моды при малом диаметре стержней. Для второй противофазной моды изменение частоты при увеличении δ / ∆ от 0,13 до 0,27 составляет 0,8%. Частота при увеличении δ уменьшается. Но при этом наименьшему значению δ / ∆ = 0,13 соответствует наибольшее значение резонансного сопротивления, а наибольшему значению δ / ∆ = 0,27 – наименьшее значение. Отношение величин R0n составляет 1,3.
Изменение относительного радиуса стержней δ / ∆ оказывает наибольшее влияние на резонансную частоту и резонансное сопротивление на синфазной 2π-моде. Изменение частоты при увеличении δ / ∆ от 0,13 до 0,23 составляет 3,6%, частота при увеличении δ растет. R0n при этом изменяется в три раза. Для этого случая наибольшие значения R0n наблюдаются при наименьшем относительном радиусе стержней δ / ∆ = 0,13, а наименьшие – при δ / ∆ = 0,23. Это может говорить о подавлении высшей 2π-моды при увеличении диаметра стержней по периметру резонатора.
Изучение влияния длины опорного стержня и длины высокочастотного зазора
на электродинамические характеристики
В работе было проведено изучение возможности изменения резонансных частот двухзазорного емкостно-нагруженного объемного резонатора путем изменения длины опорного стержня 4, поддерживающего диск 3 с центральными пролетными электродами 5. При этом также исследовались и другие электродинамические параметры резонатора. При изменении относительной длины стержня hs / H изменяется индуктивность резонансной системы, образованной опорным стержнем и диском, а емкость высокочастотных зазоров постоянна, так как длины зазоров не меняются. По результатам исследований, представленных на рис. 3, можно сделать следующие заключения. Длина опорного стержня оказывает влияние на все моды резонатора. Для первой π-моды зависимость линейна, и отношение частот составляет 1,25 при удлинении стержня в 1,47 раза. Для второй π-моды и синфазной 2π-моды при таком же удлинении стержня частота изменяется в 1,2 раза. Для высших типов колебаний изменение частоты увеличивается: частота меняется в 1,26 раза для моды № 4 и в 1,39 – для моды № 6 при тех же значениях удлинения стержня. Для моды № 6 зависимость становится существенно нелинейной. Характеристическое сопротивление ведет себя на разных частотах по-разному. На первой π-моде видна сильная зависимость ρ от параметра hs / H (уменьшение в 1,3 раза при удлинении опорного стержня). При этом для данной моды значения ρ максимальны. Для второй π-моды наблюдается наименьшее изменение параметра ρ. Для синфазной 2π-моды при удлинении стержня в 1,47 раза характеристическое сопротивление возрастает в 3 раза. На моде № 4 происходит уменьшение параметра ρ в 1,7 раза.
По графикам собственной добротности (см. рис. 3в) можно сделать следующие выводы. Наибольшая добротность отмечается на 2π-моде, она увеличивается на 5,4% при удлинении стержня в 1,47 раза. Низшая π-мода характеризуется собственной добротностью, более чем в два раза меньшей по сравнению с 2π-модой, что связано с большой емкостной нагрузкой резонатора. Для второй π-моды наблюдается небольшое увеличение Q0 – в 1,03 раза, а для двух высших мод можно отметить снижение Q0 на 5–6% при удлинении опорного стержня в 1,47 раза.
Длина высокочастотных зазоров резонатора оказывает существенное влияние как на электродинамические, так и на электронные параметры резонатора. Оценка параметров резонатора при различных длинах зазоров позволяет выбрать оптимальный режим работы.
Результаты исследований изменения резонансной частоты, собственной добротности и характеристического сопротивления при изменении d / a в диапазоне 1,5–2,5 для первых трех мод резонатора приведены на рис. 4. Резонансная частота низшей π-моды увеличивается на 9,3%, второй π-моды – на 7,3%, 2π-моды – на 12,2%. Также отмечается увеличение собственной добротности: для низшей π-моды – на 10,7%, для второй π-моды – на 18,8%, для 2π-моды – на 11,3%.
Характеристическое сопротивление при увеличении d / a от 1,5 до 2,5 на первой и второй моде возрастает, что можно объяснить уменьшением сосредоточенной емкости зазоров. На первой π-моде увеличение составляет около 25%, на второй π-моде – около 15%. На моде № 3 наблюдается неоднородная характеристика, что можно объяснить тем, что поле синфазной моды локализовано в основном в объеме резонатора, и длина высокочастотных зазоров оказывает меньшее влияние на параметр ρ.
Расчет электронных
параметров
В работе проведено исследование поведения электронных параметров резонатора – коэффициента взаимодействия с электронным потоком М и относительной электронной проводимости Ge / G0 – в зависимости от ускоряющего напряжения U0 при изменении последнего в диапазоне от 1 до 10 кВ. Результаты представлены на рис. 5.
По результатам расчета можно сделать следующие выводы. Наилучшее взаимодействие с электронным потоком в резонаторе (максимальное значение М) наблюдается на моде № 1 (π-вид колебаний). При этом диапазон ускоряющих напряжений, при котором обеспечивается режим без самовозбуждения резонатора (положительная электронная проводимость Ge / G0), лежит в диапазоне 1,5–2,2 кВ. Увеличение относительной длины зазоров d / a от 1,5 до 2,5 приводит к незначительному уменьшению значения М (в пределах 0,7%) и сдвигает область оптимального взаимодействия в зону более высоких ускоряющих напряжений.
Для моды № 2 (π-вид колебаний) в низковольтном режиме не обеспечивается оптимальное взаимодействие (максимальное значение М достигается в области 10 кВ). Для моды № 3 (2π-вид колебаний) область оптимальных ускоряющих напряжений при изменении d / a от 1,5 до 2 лежит в диапазоне 3,5–6 кВ. Максимальное значение коэффициента взаимодействия М при изменении относительной длины зазора на такое же значение уменьшается на 6,5%.
Заключение
Исследован вариант резонатора для низковольтного миниатюрного многолучевого клистрона с включением емкостно-нагруженного элемента. Данное решение позволяет снизить массогабаритные параметры резонатора, а также разделить низший противофазный (π-вид) колебаний и высшие типы колебаний резонатора. Введение в резонатор по периметру дополнительных стержней позволяет получить возможность управления спектром колебаний резонансной системы.
Получены результаты моделирования при различных длинах опорного стержня и диаметрах стержней фотонно-кристаллической структуры, что показало возможность настройки резонатора с помощью данных элементов конструкции. Для различных длин высокочастотных зазоров проведены исследования как электродинамических, так и электронных параметров, что позволяет выбрать режим работы резонатора. Подобный тип резонатора может найти применение в миниатюрных многолучевых клистронах для целей телекоммуникации и связи.
ЛИТЕРАТУРА
Ding Y. et al. An overview of multibeam klystron technology // IEEE Transactions on Electron Devices. 2023. V. 70. No. 6. PP. 2656–2665.
Галдецкий А. В., Голованов Н. А. Многолучевые клистроны с радиальным расположением лучей // Электроника и микроэлектроника СВЧ: материалы Всерос. науч.-техн. конф. СПб. 2023. С. 4–9.
Kant D. et al. Design studies for a 2 kW (CW) power L/S band multi beam Klystron // 2018 IEEE International Vacuum Electronics Conference (IVEC). IEEE, 2018. PP. 111–112.
Kumar M. et al. Design of a high frequency miniature multi beam klystron (MBK) // 2011 IEEE International Vacuum Electronics Conference (IVEC). IEEE, 2011. PP. 321–322.
Vostrov M. S. Broadband Miniature Multi-Beam Klystron of Two-Centimeter Wavelength Rangewith Bandwidth Not Less Than 300 MHz and Irregularity of Output Power Not More Than 1,5 dB // 2018 International Conference on Actual Problems of Electron Devices Engineering (APEDE). IEEE, 2018. PP. 232–236.
Kotov A. S., Gelvich E. A., Zakurdayev A. D. Small-size complex microwave devices (CMD) for onboard applications // IEEE transactions on electron devices. 2007. V. 54. No. 5. PP. 1049–1053.
Smirnov A., Newsham D., Yu D. PBG cavities for single-beam and multi-beam electron devices // Proceedings of the 2003 Particle Accelerator Conference. IEEE, 2003. V. 2. PP. 1153–1155.
Jain P. K. et al. Study of metallic photonic Band Gap cavity for high power microwave devices // 2009 Applied Electromagnetics Conference (AEMC). IEEE, 2009. PP. 1–3.
Turgaliev V. et al. Small-size low-loss bandpass filters on substrate-integrated waveguide capacitively loaded cavities embedded in low temperature co-fired ceramics // J. Ceram. Sci. Technol. 2015. V. 6. No. 4. PP. 305–314.Tomassoni C. et al. Substrate-integrated waveguide filters based on mushroom-shaped resonators // International Journal of Microwave and Wireless Technologies. 2016. V. 8. No. 4–5. PP. 741–749.
Sirci S., Martínez J. D., Boria V. E. A novel magnetic coupling for miniaturized bandpass filters
in embedded coaxial SIW // Applied sciences. 2019. V. 9. No. 3. P. 394.
Отзывы читателей
