Одаренко Е. Н., Шматько А. А. Харківський національний університет, пл. Свободи, 4, Харків-61077, Україна Тел.: (0572) 7075424; e-mail: evgeniy.n.odarenko @ univer.kharkov.ua

Анотація – Проведено багатовимірне моделювання електронно-хвильового взаємодії в гібридному перетворювачі частоти з урахуванням зміни індукції магнітного фокусуючого поля. Встановлено можливість підвищення вихідної потужності системи на вищих гармоніках частоти вхідного сигналу при зменшенні циклотронной частоти електронного потоку. Розглянуто фізичні причини виявлених ефектів.

I. Вступ

Теоретичне дослідження перетворення частоти і інших нелінійних процесів в електрон-но-хвильових системах типу Про проводиться зазвичай в рамках наближення одновимірного руху потоку заряджених частинок. Застосування багатовимірних моделей для аналізу нелінійних фізичних явищ супроводжується значним ускладненням математичного апарату і призводить до необхідності проведення великої кількості чисельних розрахунків [1]. Тим не менш, саме багатовимірне моделювання електронно-хвильового взаємодії дозволяє отримати найбільш достовірні результати і проаналізувати процеси, характерні для реальних приладів.

Одним з найменш вивчених питань дослідження енергообміну між високочастотними полями і потоками заряджених частинок є перетворення частоти вхідного сигналу з урахуванням ефектів і явищ, обумовлених багатомірністю простору взаємодії. У даній роботі досліджується один з аспектів цієї проблеми – вплив величини індукції магнітного фокусуючого поля на вихідні характеристики гібридного помножувача частоти мм діапазону довжин хвиль.

Рис. 2. Залежності модуля конвекційного струму пучка від поздовжньої координати.

II. Основна частина

Fig. 2. Spatial distribution of the rf current module

Fig. 1. Amplitude of the 4th harmonica vs normalized cyclotron frequency

Рис. 1. Залежності амплітуди четвертої гармоніки від нормованої циклотронной частоти.

Розглядається двохкаскадний електронноволновая система, в якій модуляція стрічкового електронного потоку полем вхідного сигналу відбувається на нерезонансне ділянці простору взаємодії. Перетворення частоти здійснюється на вихідному резонансному ділянці приладу. Для фокусування пучка використовується магнитостатическое поле з індукцією Во. Аналіз фізичних процесів проводиться на основі самоузгодженого багатовимірної теорії електронно-хвильового взаємодії, основні положення якої викладені в [2].

Слід зазначити, що для моделювання даної гібридної системи необхідно використовувати дві теорії – для нерезонансного і резонансного типів енергообміну.

Передбачається, що потік електронів модулюється тільки полем з частотою вхідного сигналу з, тобто гармоніки цієї частоти не потрапляють в смугу пропускання електродинамічної системи модулятора. Якщо врахувати збудження електромагнітних полів на гармоніках частоти вхідного сигналу, то необхідно розглядати многочастотной елек-трон-хвильовий взаємодія на нерезонансне ділянці гібридного приладу.

Використовувана багатовимірна модель електронноволнового взаємодії дозволяє враховувати ряд механізмів і фізичних чинників, які впливають на вихідні характеристики приладу. Найбільш істотні серед них: високочастотне розшарування пучка, взаємодія з поперечними компонентами високочастотних полів, осідання електронів на поверхню електродинамічної системи, багатовимірність траєкторій заряджених частинок в просторі взаємодії. Зміна індукції фокусуючого поля призводить до посилення або ослаблення впливу цих факторів на закономірності енергообміну в системі.

На рис. 1 представлені залежності амплітуди вихідного сигналу F на четвертій гармоніці частоти вхідного сигналу від нормованої циклотронной частоти для різних значень відношення робочого струму до пусковому Mst. Тут зіз/ З = Витті / т, де е, т – заряд і маса електрона. Характеристики розраховувалися для фіксованого значення потужності вхідного сигналу (Р0= -26 ДБ). Штриховими прямими показані значення амплітуди у випадку, коли траєкторії електронів вважаються прямолінійними (сої / з »1). У разі слабкого фокусуючого поля (зіз/ З <0.25) відбувається осідання значної частини електронного потоку на поверхню електродинамічної системи. Ефективність взаємодії знижується і амплітуда вихідного сигналу мала (див. рис. 1). Збільшення нормованої циклотронной частоти супроводжується істотним наростанням амплітуди вихідного сигналу, причому для зіз/ Зі «0.3 величина F перевищує значення, відповідне жорсткої фокусуванні електронного потоку.

Слід зазначити, що відносне збільшення амплітуди вихідного сигналу за рахунок зміни індукції фокусуючого поля наростає зі збільшенням відносини I / Ist. Отже, зазначене явище обумовлено динамічними зсувами траєкторій електронів за рахунок взаємодії з поперечними компонентами високочастотного поля.

На рис. 2 представлені просторові розподілу модуля високочастотного струму пучка на вихідному ділянці простору взаємодії для різних значень індукції фокусуючого поля. Номери кривих відповідають номерам парціальних шарів, на які умовно розбивається електронний потік при чисельному багатовимірному моделюванні. Для меншого значення нормованої циклотронной частоти відбувається зниження амплітуди конвекційного струму пучка. Проте в цьому випадку найближчі до поверхні замедляющей системи шари пучка не перегруповуються кілька разів за час руху в просторі взаємодії, як це відбувається при зз/ З = 1. Даний результат обумовлений виходом частини електронного потоку (приблизно 10%) з області інтенсивної взаємодії з високочастотним полем за рахунок поперечних зсувів траєкторій електронів. Крім того, для даних параметрів системи зниження індукції фокусуючого поля призводить до часткової компенсації високочастотного розшарування пучка.

I. Висновок

Встановлено закономірності зміни ефективності взаємодії в гібридному умножителе частоти за рахунок зменшення індукції фокусуючого магнітного поля. Отримані в рамках багатовимірної моделі результати дозволяють розробляти нові способи управління характеристиками нелінійних електронно-хвильових систем з перетворенням частоти вхідного сигналу.

II. Список літератури

[1] Дж. Роу. Теорія нелінійних явищ в приладах надвисоких частот. М.: Сов. радіо, 1969. – 616 с.

[2] Одаренко Е. Н., Шматько А. А. Вимушені коливання в нелінійних електронно-хвильових системах О-типу – моделювання й аналіз. – В кн. 12-я Міжнародна Кримська конф. “СВЧ техніка та телекомунікаційні технології “. Матеріали конф. [Севастополь, 9-13 вересня 2002 р.]. Севастополь: Вебер, 2002, стор 201-202.

HYBRID O-TYPE FREQUENCY SHIFTER WITH MAGNETIC FOCUSING FIELD

Odarenko E. N., Shmat’ko A. A.

Kharkov National University Svobody Sq.4, Kharkov – 61077, Ukraine phone: (0572) 7075424 e-mail: evgeniy.n.odarenko@univer.kharkov.ua

Abstract – The multidimensional simulation of beam-wave interaction in the hybrid frequency shifter is carried out taking into account the change of the magnetic focusing field induction. The enhancement of the output power of higher harmonics of the input signal frequency is obtained for certain values of cyclotron frequency. The physical reasons of the detected effects are considered.

I.  Introduction

The theoretical investigation of the frequency conversion and other nonlinear processes in the О-type beam-wave systems performs usually within the framework of approximation of one-dimensional driving of the electron beam. Nevertheless, the multidimensional simulation of beam-wave interaction allows to receive the most authentic results and to analyze processes, reference for actual devices.

One of the least investigated problems of research of the interaction between rf fields and streams of charged particles is the frequency conversion in the multidimensional nonlinear beam-wave systems. In this work one of aspects of this problem – effect of the magnetic focusing field induction value on the output characteristics of the millimeter waves hybrid frequency multiplier is investigated.

II.  Main part

The two-stage beam-wave system is considered. The sheet electron beam is modulated by an input signal field in the nonresonance region of the interaction space. The conversion of frequency realizes at the output resonance stage of the device. The magnetostatic field is used for electron beam focusing. The analysis of physical processes is carried out on the basis of the self-consistent multidimensional theory of beam-wave interaction, which main positions are explained in [2].

It should be noted that for simulation of the considered hybrid system it is necessary to use two theories – for nonresonance and resonance interaction types.

It is supposed that the electron beam is bunched by field with frequency of an input signal, i.e. the harmonics of this frequency do not hit in the pass band of the electrodynamic system of the modulator. If to take into account excitation of electromagnetic fields on harmonics of the input signal frequency, it is necessary to consider multifrequency beam-wave interaction in the nonresonance stage of the hybrid device.

Fig. 1 shows the dependences of the output signal amplitude (the fourth harmonics of the input signal frequency) on the normalized cyclotron frequency for different values of the ratio of the operating beam current to starting current.

The dashed lines show values of amplitude in a case when the trajectories of electrons are linear. In case of a weak focusing field (coc/co< 0.25) there is a settling of a part of electron beam on the electrodynamic system surface. The efficiency of interaction is reduced and output signal amplitude is small. The increase of normalized cyclotron frequency results in the essential increase of the amplitude. Fig. 2 shows the space distributions of the rf current module in the output stage of the interaction space for different values of the focusing field induction.

III.  Conclusion

The regularities of change of the beam-wave interaction efficiency in a hybrid frequency multiplier are investigated for different values of the focusing magnetic field induction. The results obtained within the framework of multidimensional model allow developing new methods of control of the nonlinear beam-wave systems characteristics with conversion of the input signal frequency.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології»