eng
Выпуск #6/2023
А. Гнусарев, А. Мирошниченко, В. Царев, Н. Акафьева
ДВУХЗАЗОРНЫЙ КЛИСТРОННЫЙ ФОТОННО-КРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ РЕЗОНАТОР С ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМИ ПЛАНАРНЫМИ РЕЗОНАНСНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ
ДВУХЗАЗОРНЫЙ КЛИСТРОННЫЙ ФОТОННО-КРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ РЕЗОНАТОР С ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМИ ПЛАНАРНЫМИ РЕЗОНАНСНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ
Просмотры: 585
DOI: 10.22184/1992-4178.2023.227.6.90.99
Результаты исследования основных электродинамических параметров двухзазорного фотонно-кристаллического резонатора найдут применение при разработке резонаторных систем для приборов клистронного типа, работающих в качестве усилителей и генераторов в радиолокации, телекоммуникации, средствах связи.
Ключевые слова: многолучевые клистроны, конструкция резонатора, рабочая частота, собственная добротность, характеристическое сопротивление
Результаты исследования основных электродинамических параметров двухзазорного фотонно-кристаллического резонатора найдут применение при разработке резонаторных систем для приборов клистронного типа, работающих в качестве усилителей и генераторов в радиолокации, телекоммуникации, средствах связи.
Ключевые слова: многолучевые клистроны, конструкция резонатора, рабочая частота, собственная добротность, характеристическое сопротивление
Двухзазорный клистронный
фотонно-кристаллический резонатор с дополнительными планарными резонансными элементами
А. Гнусарев 1, А. Мирошниченко д. т. н.2, В. Царев д. т. н.3,
Н. Акафьева к. т. н.4
Исследовались основные электродинамические параметры двухзазорного фотонно-кристаллического резонатора (ДФКР) с включением в резонансную систему ПРПР с целью возможного использования подобных резонаторов в ММЛК, работающих в Ku- и K-диапазонах. Результаты могут найти применение при разработке резонаторных систем для приборов клистронного типа, работающих в качестве усилителей и генераторов в радиолокации, телекоммуникации, средствах связи.
В последние годы как в России, так и за рубежом возрастает роль микроволновой электроники, которая значительно влияет на технические характеристики радиоэлектронных устройств различного функционального назначения[1]. Среди большой номенклатуры микроволновых вакуумных электронных приборов находят применение многолучевые клистроны (МЛК), которые существенно превышают однолучевые клистроны по основным параметрам, таким как полоса частот, КПД, а также имеют более низкое ускоряющее напряжение и меньшие габариты и массу [2–5]. Миниатюрные многолучевые клистроны (ММЛК) также могут эффективно использоваться в бортовой аппаратуре различного назначения в качестве низковольтных усилителей, обеспечивающих в Ku- и K-диапазонах выходную мощность порядка нескольких сотен ватт [6]. На выходные параметры клистронов, такие как полоса частот, коэффициент усиления, выходная мощность, а также на массогабаритные показатели существенное влияние оказывают конструктивные особенности и параметры применяемых резонаторов.
При разработке ММЛК, особенно в верхней части сантиметрового и миллиметровом диапазоне возникают существенные трудности, связанные c подавлением высших паразитных мод колебаний. Также при увеличении рабочей частоты уменьшается собственная добротность резонаторов, Q0, и его характеристическое сопротивление. Одним из путей решения этих проблем является использование в качестве резонансных систем так называемых фотонно-кристаллических резонаторов (ФКР), в иностранной литературе описанных как Photonic Band Gaps structures (PBG) [7–12], которые могут в большей степени минимизировать эти недостатки. Несмотря на то, что ФКР используются в настоящее время в основном в качестве резонансных систем для мощных и сверхмощных приборов, они также могут с успехом применяться в ММЛК. Кроме того, на электродинамические параметры резонатора существенное влияние может оказывать изменение шага решетки ФКР, в частности, увеличение диаметра стержней в первом слое вокруг дефекта приводит к существенным изменениям электродинамических параметров [13]. Но подобные исследования проводились только для лампы с бегущей волной и не проводились для клистронов.
Наряду с этим применение в качестве резонаторов клистрона двухзазорной конструкции, а также введение дополнительных полосковых резонансных элементов в ФКР, например, таких как rectangular open loop resonator или прямоугольный разомкнутый петлевой резонатор (ПРПР), может позволить получить в двухзазорном ФКР (ДФКР) новые свойства. Различные конструкции ПРПР были исследованы в ряде работ, например, для получения микроволновых фильтров [14–16]. Однако в клистронных резонаторах такие элементы до сих пор не применялись и их свойства не изучались.
Целью исследований является изучение основных электродинамических параметров двухзазорного фотонно-кристаллического резонатора (ДФКР) с включением в резонансную систему ПРПР для возможного использования подобных резонаторов в ММЛК, работающих в Ku- и K-диапазонах.
Конструкция резонатора
Конструкция резонатора представлена на рис. 1а. Фотонно-кристаллическая решетка образуется металлическими стержнями 1 круглой формы с радиусом δ и с шагом решетки ∆. Внутри фотонно-кристаллической решетки за счет отсутствия стержней расположен дефект. Стержни фотонно-кристаллической решетки закреплены на двух боковых крышках резонатора 2. Внутри дефекта фотонно-кристаллической решетки на диэлектрической подложке 3 с толщиной L размещены взаимно перпендикулярно с двух сторон диэлектрика четыре отрезка полосковых линий с дополнительным резонансным элементом 5 в виде ПРПР, внешний вид которого представлен на рис. 1б, где W – толщина линии; G – ширина зазора; A – длина боковой стороны; F – ширина, которая отделяет два кольца. ПРПР представляет собой систему двух связанных петлевых резонаторов с электрической связью между контурами. Центральный электрод 6 с 13 отверстиями 4 для прохождения электронного потока электрически соединен с полосковыми линиями. Полосковые линии в свою очередь с другой стороны электрически соединены с плоской заземляющей поверхностью 7. Боковые электроды 8 размещены на боковых крышках и также имеют 13 отверстий для прохождения электронного потока. Центральный и два боковых электрода образуют два высокочастотных зазора резонатора 9. Основные размеры резонатора приведены в табл. 1.
Результаты моделирования
Для расчета резонатора использовался метод трехмерного моделирования методом конечных элементов в частотной области.
В резонаторах данного типа может возбуждаться множество резонансных частот. Но мы будем проводить анализ только тех мод, которые имеют наилучшее взаимодействие с многолучевым электронным потоком в клистроне и обладают высокими значениями характеристического сопротивления. Именно таким условиям соответствуют два низших типа – противофазный (π) и синфазный (2π).
Для проведения сравнительного анализа исследованы три модели резонатора: первая – без фотонно-кристаллической решетки, представляющая собой цилиндрический двухзазорный резонатор; вторая конструкция – ДФКР со стандартной фотонно-кристаллической решеткой; третья конструкция ДФКР с увеличенным диаметром стержней первого слоя фотонно-кристаллической решетки. Во всех трех случаях в полосковых линиях резонатора был использован ПРПР (рис. 2).
На рис. 3 показаны результаты исследования спектра частот резонатора в диапазоне частот от 10 до 40 ГГц в виде зависимости параметра S21 от частоты для трех вариантов конструкции, представленных на рис. 2.
По результатам исследования можно сделать следующие выводы. При введении в резонатор ФКР со стандартным шагом (δ/Δ = 0,38) для первых π- и 2π-мод наблюдается сдвиг частот вверх по диапазону для π-моды на 2,1 ГГц, для 2π-моды 3 ГГц. Для некоторых высших мод наблюдается сдвиг по частоте и резкое уменьшение амплитуды. Например, частоты в области 22–25 ГГц смещаются в диапазон 27–29 ГГц с существенным подавлением амплитуды на 30 dB. Однако в этом случае существуют моды, амплитуда которых сдвигается вверх по частоте и даже возрастает. Например, мода 18,6 ГГц смещается вверх на 0,7 ГГц с увеличением амплитуды на 14 дБ, мода 31,5 ГГц смещается вверх на 1,5 ГГц с увеличением амплитуды на 3,5 дБ.
При применении в ФКР первого слоя с увеличенным диаметром стержней (δ/Δ = 0,7) для низших π- и 2π-мод также наблюдается смещение частот вверх по диапазону, но в меньшей степени. Для π-моды относительно стандартной ФКР смещение частоты 0,36 ГГц, для 2π-моды 0,8 ГГц. Явление подавления резонансных частот, в отличие от предыдущего случая, существенно усиливается. Например, моды на частоте 19, 27–29 ГГц оказываются полностью подавлены. Но при этом существует ряд высших мод, которые, как и в предыдущем случае не подавляются, а смещаются вверх, например, мода 33 ГГц сместилась на 33,6 ГГц относительно предыдущего случая. Таким образом, можно сделать вывод о селективных свойствах ФКР, которые более существенно проявляются при увеличении диаметра стержней в первом слое ФКР.
На основании исследованного спектра частот с учетом требований к электродинамическим параметрам были выбраны для дальнейших исследований две низшие моды. В табл. 2 приведены основные электродинамические параметры для двух первых мод – противофазной (π) и синфазной (2π) для случая стандартного шага фотонно-кристаллической решетки δ/Δ = 0,38.
Исследование влияния толщины стержней первого слоя фотонно-кристаллической решетки на электродинамические параметры ДФКР
Проведено исследование электродинамических параметров ДФКР при изменении толщины стержней первого слоя ФКР. На рис. 4 показаны зависимости изменения частоты, добротности и характеристического сопротивления от диаметра стержней фотонно-кристаллической решетки первого слоя (δ/∆) для π- и 2π-мод резонатора. Видно, что частоты π- и 2π-мод возрастают, причем угол наклона кривой для синфазной моды выше. Параметр Q0 уменьшается в пределах 6–8%.
Характеристическое сопротивление резонатора для π-моды остается практически постоянным при изменении толщины стержней первого слоя ФКР, для 2π-моды наблюдается достаточно сильное уменьшение параметра на 31% (рис. 4б).
Исследование влияния ПРПР на параметры ДФКР
Для изучения новых свойств резонатора, полученных при введении в конструкцию резонатора дополнительного ПРПР, исследовано влияние изменения геометрических размеров ПРПР на электродинамические параметры ДФКР. На рис. 5 представлены зависимости частоты, собственной добротности и характеристического сопротивления от длины боковой стороны ПРПР (параметр А). Видно, что изменение параметра А дополнительного ПРПР в диапазоне указанных на рисунках значений приводит к незначительному уменьшению частоты 2π-моды колебаний в пределах 2–3%, в то же время на частоту π-моды влияние более заметное и она уменьшается в пределах 6–7%. Собственная добротность также уменьшается, для π-моды – на 23%, а для 2π-моды – на 9%.
Изменение характеристического сопротивления для π-моды и 2π-моды носит противоположный характер. В то время как характеристическое сопротивление π-моды уменьшается на 20%, то 2π-моды увеличивается на 21%.
Влияние на электродинамические параметры резонатора ширины зазора (G) ПРПР иллюстрирует рис. 6. При этом меняется электрическая связь между двумя половинами ПРПР. Видно, что при увеличении G происходит небольшое увеличение частоты π-моды на 3–4%, а 2π-моды на 2–3%.
Влияние параметра G на характеристическое сопротивление проявляется более значительно. В диапазоне изменяемых значений G для π-моды рост составляет 16–17%, а для 2π-моды характеристическое сопротивление ρ возрастает в два раза.
На рис. 7 приведены результаты исследования влияния изменения параметра F ПРПР на электродинамические параметры резонатора. В этом случае также меняется величина электрической связи между двумя половинами ПРПР. При этом можно отметить, что частоты π-моды и 2π-моды почти не изменялись. Так как с увеличением F частоты незначительно уменьшились меньше чем на 1% для π-моды и 2π-моды.
При слабом изменении частоты можно отметить достаточно сильную зависимость характеристического сопротивления от параметра F ПРПР для 2π-моды. Максимумы значений как на π-моде (50 Ом), так и на 2π-моде (60 Ом) наблюдаются при
F = 0,5–0,55 мм.
На рис. 8 показано изменение электродинамических параметров при изменении размера W ПРПР, при этом можно наблюдать то, что также как и при изменении F частота π- и 2π-моды изменяется незначительно – всего на 1–2%, но в то же время при увеличении W резко начинает увеличиваться собственная добротность π-моды (в 2 раза), а 2π-моды на 67–68%.
Параметр W ПРПР также оказывает большое влияние на характеристическое сопротивление резонатора. Для π-моды увеличение составляет около 67%, а 2π-моды вообще возрастает больше чем в два раза. При этом на 2π-моде наблюдается большой разброс значений при изменении параметра W.
* * *
В данной статье приведены результаты исследования миниатюрного многоканального резонатора с фотонно-кристаллической решеткой и с интегрированными дополнительными пленарными полосковыми резонаторами на диэлектрической подложке. Исследованы основные электродинамические параметры ДФКР на двух низших частотах – противофазной (π) и синфазной (2π) модах. Исследовано влияние геометрических размеров ПРПР на электродинамические параметры ДФКР. При этом среди всех параметров ДФКР наибольшие изменения величины отмечаются у характеристического сопротивления. Также изучено воздействие на электродинамические параметры изменения диаметра стержней первого слоя фотонно-кристаллической решетки. При этом отмечаются фильтрующие свойства для подавления высших мод в резонаторе в случае стандартной фотонно-кристаллической решетки, и особенно сильно при утолщении стержней первого слоя решетки. Рассмотренный в статье ДФКР может быть использован в низковольтных многолучевых усилительно-генераторных приборах клистронного типа.
Литература
Щербаков С. В. Развитие СВЧ электроники в рамках реализации государственных программ // Материалы VI Всерос. науч.-техн. конф. «Электроника и микроэлектроника СВЧ», СПб., 29 мая – 1 июня 2017. СПб: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2017. С. 15–23. URL: https://mwelectronics.etu.ru/assets/files/2017/01.pdf (дата обращения 26.05.2021).
Bearzatto C., Bres M., Faillon G. Advantages of Multiple Beam Klystrons // Vakuum elektronik und Displays: Vortrage der ITG Fachtagagung. Garmisch-Partenkirchen, 4–5 May 1992. Garmisch-Partenkirchen: ITG, 1992. РР. 4–32.
Korolyov A.N., Gelvich E. A., Zhary Y. V., Zakurdayev A. D., Poognin V. I. Multiple-beam klystron amplifiers: Performance parameters and development trends // IEEE Transactions on Plasma Science. 2004. Vol. 32. no. 3. РР. 1109–1118. doi: 10.1109/TPS.2004.828807.
Nusinovich G. S., Levush B., Abe D. K. A review of the development of multiple-beam klystrons and TWTs. Washington: Naval Research Laboratory, 2003. 42 p.
Ding Y., Shen B., Shi S., Cao J. S-band multibeam klystron with bandwidth of 10% // IEEE Transactions Electron Devices. 2005. Vol. 52, no. 5. РР. 889–894. doi: 10.1109/TED.2005.845796.
Kotov A. S., Gelvich E. A., Zakurdayev А. D. Small-Size Complex Microwave Devices (CMD) for Onboard Applications // IEEE Transactions on Electron Devices. 2007. Vol. 54. No. 5. РР. 1049–1053. doi: 10.1109/TED.2007.893196.
Smirnov A. V., Newsham D., Yu D. PBG Cavities for Single-Beam and Multi-Beam Electron Devices // Proc. of Particle Accelerator Conf. Portland, Oregon, 12–16 May 2003. Portland, Oregon: IEEE, 2003. РР. 1153–1155. doi: 10.1109/PAC.2003.1289636.
Xu Y., Seviour R. Design of Photonic Crystal Klystrons // Proc. of the 1st Intern. Particle Accelerator Conf. (IPAC 2010), Kyoto, 23–28 May 2010. РР. 4002–4004.
Singh A., Jain P. K. FDTD Analysis of the Dispersion Characteristics of the Metal PBG Structures // Progress in Electromagnetics Research B. 2012. Vol. 39. РР. 71–88. doi: 10.2528/PIERB11120601.
Xie Chenglong, Chen Chun-Ping. Anada Tetsuo 2D microwave metallic photonic crystal point-defect-cavity resonator // Microwave and Optical Technology Lett. 2017. Vol. 59, no. 10. РР. 2547–2551. doi: 10.1002/mop.30767.
Chen Chun-Ping, Xie Chenglong, Anada Tetsuo, Zhang Zejun. Simulation and Measurement of Properties of Metallic Photonic Crystal Point-Defect-Cavities with a Centrally-Loaded Rod // IEICE Transactions on Electronics. 2018. Vol. E101-C. No. 1. РР. 91–95. doi: 10.1587/transele. E101.C.91.
Masullo M. R., Andreone A., Gennaro Di E., Albanese S., Francomacaro F., Panniello M., Vaccaro V. G., Lamura G. Study of Hybrid Photonic Band Gap Resonators for Particle Accelerators // Microwave and Optical Technology Lett. 2006. Vol. 48. № 12. РР. 2486–2491. doi: 10.1002/mop.22016.
Ningfeng Bai, Xiaohan Sun. Slow Wave Structures with Composite Defect Electromagnetic Band Gap Structure // IVEC 2008.
Ahmed Rhbanou, Mohamed Sabbane, Seddik Bri. Design of Dual-Mode Substrate Integrated Waveguide Band-Pass Filters // Circuits and Systems. 2015. No. 6. РР. 257–267.
Dian Widi Astuti, Rizki Ramadhan Putra, Muslim, Mudrik Alaydrus. Substrate integrated waveguide bandpass filter for short range device application using rectangular open loop resonator // International Journal of Electrical and Computer Engineering (IJECE). Vol. 11. No. 5. October 2021. PP. 3747–3756.
Astuti D. W., Alaydrus M. A Bandpass Filter Based on Rectangular Open Loop Resonators at 2.45 GHz // IEEE International Conference on Instrument, Communications, Information Technology and Biomedical Engineering. 2013. No. 1. PP. 147–151.
фотонно-кристаллический резонатор с дополнительными планарными резонансными элементами
А. Гнусарев 1, А. Мирошниченко д. т. н.2, В. Царев д. т. н.3,
Н. Акафьева к. т. н.4
Исследовались основные электродинамические параметры двухзазорного фотонно-кристаллического резонатора (ДФКР) с включением в резонансную систему ПРПР с целью возможного использования подобных резонаторов в ММЛК, работающих в Ku- и K-диапазонах. Результаты могут найти применение при разработке резонаторных систем для приборов клистронного типа, работающих в качестве усилителей и генераторов в радиолокации, телекоммуникации, средствах связи.
В последние годы как в России, так и за рубежом возрастает роль микроволновой электроники, которая значительно влияет на технические характеристики радиоэлектронных устройств различного функционального назначения[1]. Среди большой номенклатуры микроволновых вакуумных электронных приборов находят применение многолучевые клистроны (МЛК), которые существенно превышают однолучевые клистроны по основным параметрам, таким как полоса частот, КПД, а также имеют более низкое ускоряющее напряжение и меньшие габариты и массу [2–5]. Миниатюрные многолучевые клистроны (ММЛК) также могут эффективно использоваться в бортовой аппаратуре различного назначения в качестве низковольтных усилителей, обеспечивающих в Ku- и K-диапазонах выходную мощность порядка нескольких сотен ватт [6]. На выходные параметры клистронов, такие как полоса частот, коэффициент усиления, выходная мощность, а также на массогабаритные показатели существенное влияние оказывают конструктивные особенности и параметры применяемых резонаторов.
При разработке ММЛК, особенно в верхней части сантиметрового и миллиметровом диапазоне возникают существенные трудности, связанные c подавлением высших паразитных мод колебаний. Также при увеличении рабочей частоты уменьшается собственная добротность резонаторов, Q0, и его характеристическое сопротивление. Одним из путей решения этих проблем является использование в качестве резонансных систем так называемых фотонно-кристаллических резонаторов (ФКР), в иностранной литературе описанных как Photonic Band Gaps structures (PBG) [7–12], которые могут в большей степени минимизировать эти недостатки. Несмотря на то, что ФКР используются в настоящее время в основном в качестве резонансных систем для мощных и сверхмощных приборов, они также могут с успехом применяться в ММЛК. Кроме того, на электродинамические параметры резонатора существенное влияние может оказывать изменение шага решетки ФКР, в частности, увеличение диаметра стержней в первом слое вокруг дефекта приводит к существенным изменениям электродинамических параметров [13]. Но подобные исследования проводились только для лампы с бегущей волной и не проводились для клистронов.
Наряду с этим применение в качестве резонаторов клистрона двухзазорной конструкции, а также введение дополнительных полосковых резонансных элементов в ФКР, например, таких как rectangular open loop resonator или прямоугольный разомкнутый петлевой резонатор (ПРПР), может позволить получить в двухзазорном ФКР (ДФКР) новые свойства. Различные конструкции ПРПР были исследованы в ряде работ, например, для получения микроволновых фильтров [14–16]. Однако в клистронных резонаторах такие элементы до сих пор не применялись и их свойства не изучались.
Целью исследований является изучение основных электродинамических параметров двухзазорного фотонно-кристаллического резонатора (ДФКР) с включением в резонансную систему ПРПР для возможного использования подобных резонаторов в ММЛК, работающих в Ku- и K-диапазонах.
Конструкция резонатора
Конструкция резонатора представлена на рис. 1а. Фотонно-кристаллическая решетка образуется металлическими стержнями 1 круглой формы с радиусом δ и с шагом решетки ∆. Внутри фотонно-кристаллической решетки за счет отсутствия стержней расположен дефект. Стержни фотонно-кристаллической решетки закреплены на двух боковых крышках резонатора 2. Внутри дефекта фотонно-кристаллической решетки на диэлектрической подложке 3 с толщиной L размещены взаимно перпендикулярно с двух сторон диэлектрика четыре отрезка полосковых линий с дополнительным резонансным элементом 5 в виде ПРПР, внешний вид которого представлен на рис. 1б, где W – толщина линии; G – ширина зазора; A – длина боковой стороны; F – ширина, которая отделяет два кольца. ПРПР представляет собой систему двух связанных петлевых резонаторов с электрической связью между контурами. Центральный электрод 6 с 13 отверстиями 4 для прохождения электронного потока электрически соединен с полосковыми линиями. Полосковые линии в свою очередь с другой стороны электрически соединены с плоской заземляющей поверхностью 7. Боковые электроды 8 размещены на боковых крышках и также имеют 13 отверстий для прохождения электронного потока. Центральный и два боковых электрода образуют два высокочастотных зазора резонатора 9. Основные размеры резонатора приведены в табл. 1.
Результаты моделирования
Для расчета резонатора использовался метод трехмерного моделирования методом конечных элементов в частотной области.
В резонаторах данного типа может возбуждаться множество резонансных частот. Но мы будем проводить анализ только тех мод, которые имеют наилучшее взаимодействие с многолучевым электронным потоком в клистроне и обладают высокими значениями характеристического сопротивления. Именно таким условиям соответствуют два низших типа – противофазный (π) и синфазный (2π).
Для проведения сравнительного анализа исследованы три модели резонатора: первая – без фотонно-кристаллической решетки, представляющая собой цилиндрический двухзазорный резонатор; вторая конструкция – ДФКР со стандартной фотонно-кристаллической решеткой; третья конструкция ДФКР с увеличенным диаметром стержней первого слоя фотонно-кристаллической решетки. Во всех трех случаях в полосковых линиях резонатора был использован ПРПР (рис. 2).
На рис. 3 показаны результаты исследования спектра частот резонатора в диапазоне частот от 10 до 40 ГГц в виде зависимости параметра S21 от частоты для трех вариантов конструкции, представленных на рис. 2.
По результатам исследования можно сделать следующие выводы. При введении в резонатор ФКР со стандартным шагом (δ/Δ = 0,38) для первых π- и 2π-мод наблюдается сдвиг частот вверх по диапазону для π-моды на 2,1 ГГц, для 2π-моды 3 ГГц. Для некоторых высших мод наблюдается сдвиг по частоте и резкое уменьшение амплитуды. Например, частоты в области 22–25 ГГц смещаются в диапазон 27–29 ГГц с существенным подавлением амплитуды на 30 dB. Однако в этом случае существуют моды, амплитуда которых сдвигается вверх по частоте и даже возрастает. Например, мода 18,6 ГГц смещается вверх на 0,7 ГГц с увеличением амплитуды на 14 дБ, мода 31,5 ГГц смещается вверх на 1,5 ГГц с увеличением амплитуды на 3,5 дБ.
При применении в ФКР первого слоя с увеличенным диаметром стержней (δ/Δ = 0,7) для низших π- и 2π-мод также наблюдается смещение частот вверх по диапазону, но в меньшей степени. Для π-моды относительно стандартной ФКР смещение частоты 0,36 ГГц, для 2π-моды 0,8 ГГц. Явление подавления резонансных частот, в отличие от предыдущего случая, существенно усиливается. Например, моды на частоте 19, 27–29 ГГц оказываются полностью подавлены. Но при этом существует ряд высших мод, которые, как и в предыдущем случае не подавляются, а смещаются вверх, например, мода 33 ГГц сместилась на 33,6 ГГц относительно предыдущего случая. Таким образом, можно сделать вывод о селективных свойствах ФКР, которые более существенно проявляются при увеличении диаметра стержней в первом слое ФКР.
На основании исследованного спектра частот с учетом требований к электродинамическим параметрам были выбраны для дальнейших исследований две низшие моды. В табл. 2 приведены основные электродинамические параметры для двух первых мод – противофазной (π) и синфазной (2π) для случая стандартного шага фотонно-кристаллической решетки δ/Δ = 0,38.
Исследование влияния толщины стержней первого слоя фотонно-кристаллической решетки на электродинамические параметры ДФКР
Проведено исследование электродинамических параметров ДФКР при изменении толщины стержней первого слоя ФКР. На рис. 4 показаны зависимости изменения частоты, добротности и характеристического сопротивления от диаметра стержней фотонно-кристаллической решетки первого слоя (δ/∆) для π- и 2π-мод резонатора. Видно, что частоты π- и 2π-мод возрастают, причем угол наклона кривой для синфазной моды выше. Параметр Q0 уменьшается в пределах 6–8%.
Характеристическое сопротивление резонатора для π-моды остается практически постоянным при изменении толщины стержней первого слоя ФКР, для 2π-моды наблюдается достаточно сильное уменьшение параметра на 31% (рис. 4б).
Исследование влияния ПРПР на параметры ДФКР
Для изучения новых свойств резонатора, полученных при введении в конструкцию резонатора дополнительного ПРПР, исследовано влияние изменения геометрических размеров ПРПР на электродинамические параметры ДФКР. На рис. 5 представлены зависимости частоты, собственной добротности и характеристического сопротивления от длины боковой стороны ПРПР (параметр А). Видно, что изменение параметра А дополнительного ПРПР в диапазоне указанных на рисунках значений приводит к незначительному уменьшению частоты 2π-моды колебаний в пределах 2–3%, в то же время на частоту π-моды влияние более заметное и она уменьшается в пределах 6–7%. Собственная добротность также уменьшается, для π-моды – на 23%, а для 2π-моды – на 9%.
Изменение характеристического сопротивления для π-моды и 2π-моды носит противоположный характер. В то время как характеристическое сопротивление π-моды уменьшается на 20%, то 2π-моды увеличивается на 21%.
Влияние на электродинамические параметры резонатора ширины зазора (G) ПРПР иллюстрирует рис. 6. При этом меняется электрическая связь между двумя половинами ПРПР. Видно, что при увеличении G происходит небольшое увеличение частоты π-моды на 3–4%, а 2π-моды на 2–3%.
Влияние параметра G на характеристическое сопротивление проявляется более значительно. В диапазоне изменяемых значений G для π-моды рост составляет 16–17%, а для 2π-моды характеристическое сопротивление ρ возрастает в два раза.
На рис. 7 приведены результаты исследования влияния изменения параметра F ПРПР на электродинамические параметры резонатора. В этом случае также меняется величина электрической связи между двумя половинами ПРПР. При этом можно отметить, что частоты π-моды и 2π-моды почти не изменялись. Так как с увеличением F частоты незначительно уменьшились меньше чем на 1% для π-моды и 2π-моды.
При слабом изменении частоты можно отметить достаточно сильную зависимость характеристического сопротивления от параметра F ПРПР для 2π-моды. Максимумы значений как на π-моде (50 Ом), так и на 2π-моде (60 Ом) наблюдаются при
F = 0,5–0,55 мм.
На рис. 8 показано изменение электродинамических параметров при изменении размера W ПРПР, при этом можно наблюдать то, что также как и при изменении F частота π- и 2π-моды изменяется незначительно – всего на 1–2%, но в то же время при увеличении W резко начинает увеличиваться собственная добротность π-моды (в 2 раза), а 2π-моды на 67–68%.
Параметр W ПРПР также оказывает большое влияние на характеристическое сопротивление резонатора. Для π-моды увеличение составляет около 67%, а 2π-моды вообще возрастает больше чем в два раза. При этом на 2π-моде наблюдается большой разброс значений при изменении параметра W.
* * *
В данной статье приведены результаты исследования миниатюрного многоканального резонатора с фотонно-кристаллической решеткой и с интегрированными дополнительными пленарными полосковыми резонаторами на диэлектрической подложке. Исследованы основные электродинамические параметры ДФКР на двух низших частотах – противофазной (π) и синфазной (2π) модах. Исследовано влияние геометрических размеров ПРПР на электродинамические параметры ДФКР. При этом среди всех параметров ДФКР наибольшие изменения величины отмечаются у характеристического сопротивления. Также изучено воздействие на электродинамические параметры изменения диаметра стержней первого слоя фотонно-кристаллической решетки. При этом отмечаются фильтрующие свойства для подавления высших мод в резонаторе в случае стандартной фотонно-кристаллической решетки, и особенно сильно при утолщении стержней первого слоя решетки. Рассмотренный в статье ДФКР может быть использован в низковольтных многолучевых усилительно-генераторных приборах клистронного типа.
Литература
Щербаков С. В. Развитие СВЧ электроники в рамках реализации государственных программ // Материалы VI Всерос. науч.-техн. конф. «Электроника и микроэлектроника СВЧ», СПб., 29 мая – 1 июня 2017. СПб: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2017. С. 15–23. URL: https://mwelectronics.etu.ru/assets/files/2017/01.pdf (дата обращения 26.05.2021).
Bearzatto C., Bres M., Faillon G. Advantages of Multiple Beam Klystrons // Vakuum elektronik und Displays: Vortrage der ITG Fachtagagung. Garmisch-Partenkirchen, 4–5 May 1992. Garmisch-Partenkirchen: ITG, 1992. РР. 4–32.
Korolyov A.N., Gelvich E. A., Zhary Y. V., Zakurdayev A. D., Poognin V. I. Multiple-beam klystron amplifiers: Performance parameters and development trends // IEEE Transactions on Plasma Science. 2004. Vol. 32. no. 3. РР. 1109–1118. doi: 10.1109/TPS.2004.828807.
Nusinovich G. S., Levush B., Abe D. K. A review of the development of multiple-beam klystrons and TWTs. Washington: Naval Research Laboratory, 2003. 42 p.
Ding Y., Shen B., Shi S., Cao J. S-band multibeam klystron with bandwidth of 10% // IEEE Transactions Electron Devices. 2005. Vol. 52, no. 5. РР. 889–894. doi: 10.1109/TED.2005.845796.
Kotov A. S., Gelvich E. A., Zakurdayev А. D. Small-Size Complex Microwave Devices (CMD) for Onboard Applications // IEEE Transactions on Electron Devices. 2007. Vol. 54. No. 5. РР. 1049–1053. doi: 10.1109/TED.2007.893196.
Smirnov A. V., Newsham D., Yu D. PBG Cavities for Single-Beam and Multi-Beam Electron Devices // Proc. of Particle Accelerator Conf. Portland, Oregon, 12–16 May 2003. Portland, Oregon: IEEE, 2003. РР. 1153–1155. doi: 10.1109/PAC.2003.1289636.
Xu Y., Seviour R. Design of Photonic Crystal Klystrons // Proc. of the 1st Intern. Particle Accelerator Conf. (IPAC 2010), Kyoto, 23–28 May 2010. РР. 4002–4004.
Singh A., Jain P. K. FDTD Analysis of the Dispersion Characteristics of the Metal PBG Structures // Progress in Electromagnetics Research B. 2012. Vol. 39. РР. 71–88. doi: 10.2528/PIERB11120601.
Xie Chenglong, Chen Chun-Ping. Anada Tetsuo 2D microwave metallic photonic crystal point-defect-cavity resonator // Microwave and Optical Technology Lett. 2017. Vol. 59, no. 10. РР. 2547–2551. doi: 10.1002/mop.30767.
Chen Chun-Ping, Xie Chenglong, Anada Tetsuo, Zhang Zejun. Simulation and Measurement of Properties of Metallic Photonic Crystal Point-Defect-Cavities with a Centrally-Loaded Rod // IEICE Transactions on Electronics. 2018. Vol. E101-C. No. 1. РР. 91–95. doi: 10.1587/transele. E101.C.91.
Masullo M. R., Andreone A., Gennaro Di E., Albanese S., Francomacaro F., Panniello M., Vaccaro V. G., Lamura G. Study of Hybrid Photonic Band Gap Resonators for Particle Accelerators // Microwave and Optical Technology Lett. 2006. Vol. 48. № 12. РР. 2486–2491. doi: 10.1002/mop.22016.
Ningfeng Bai, Xiaohan Sun. Slow Wave Structures with Composite Defect Electromagnetic Band Gap Structure // IVEC 2008.
Ahmed Rhbanou, Mohamed Sabbane, Seddik Bri. Design of Dual-Mode Substrate Integrated Waveguide Band-Pass Filters // Circuits and Systems. 2015. No. 6. РР. 257–267.
Dian Widi Astuti, Rizki Ramadhan Putra, Muslim, Mudrik Alaydrus. Substrate integrated waveguide bandpass filter for short range device application using rectangular open loop resonator // International Journal of Electrical and Computer Engineering (IJECE). Vol. 11. No. 5. October 2021. PP. 3747–3756.
Astuti D. W., Alaydrus M. A Bandpass Filter Based on Rectangular Open Loop Resonators at 2.45 GHz // IEEE International Conference on Instrument, Communications, Information Technology and Biomedical Engineering. 2013. No. 1. PP. 147–151.
Отзывы читателей
