Корнеенков В. К., Скринник Б. К., Цвик А. І. Інститут радіофізики та електроніки ім. А. Я. Усикова НАН України вул. Ак. Проскури, 12, Харків, 61085, Україна Тел.: +380 (57) 7448548; e-mail: tsvyk@ire.kharkov.ua

Анотація – У міліметровому діапазоні довжин хвиль (частота генерації 33-37 ГГц) в ІРЕ НАН України розроблено, створено і досліджено ізохронний ГДВ з підвищеними значеннями вихідної потужності і ККД приладу. Зокрема, на частоті генерації 36,2 ГГц при ускоряющем напрузі U = 3,2 кВ і струмі електронного потоку / = 140 мА вихідна потужність генератора складає 40 Вт при ККД ~ 8,76% в безперервному режимі. Робляться висновки про перспективу розвитку таких генераторів в короткохвильовій частині мм діапазону.

I. Вступ

Рис. 1. Комбінована перебудова частоти ГДВ

У відомому створеному в ІРЕ НАН Україна комплексі ГДВ міліметрового діапазону застосовується чверть хвильова відбивна дифракційна решітка з стрічковим («горизонтальним») електронним потоком (ЕП) [1, 2, 3]; ширина решітки Ь ~ 10лш; глибина канавок – h ~ A / 4. Решітка розташовується на поверхні плоского (або циліндричного) дзеркала полуконфокального (або сфероціліндріческіе) відкритого резонатора (ОР). Радіус кривизни і діаметр 2а апертури дзеркал ОР значно перевищують довжину хвилі порушуваних в генераторі коливань. Ці ГДВ мають широкий діапазон комбінованої перебудови частоти (близько 0,5 октави, що становить кілька десятків ГГц в мм діапазоні) з вихідною потужністю Р до декількох одиниць ват і з ККД Г] ~ 1-2% в

Fig. 1. Combined frequency tuning in the DRO

безперервному режимі. В. К. Корнеенков експериментально показав, що для підвищення Р і Г) перспективно в ГДВ використовувати дифракційну решітку у вигляді ланцюжка прямокутних відкритих хвилеводних резонаторів, пов’язаних каналом

8    для «вертикального» ЕП уздовж осі грати (при параметрах A! 2 < (b; h) <А + 5 в канавках таких грат, як у резонаторі, збуджується Ню 1 тип коливання з резонансною довжиною хвилі Ap~2bh/-\[b^-Ji2 ). При цьому габарити ГДВ можна зменшити, якщо застосовувати малооб’ємні ОР [4] (довгофокусний ОР зі зменшеними розмірами апертури дзеркал) або короткофокусні ОР

[5], а значення Р і Г) поліпшити шляхом застосування фазованою решітки [6; 7] (ізохронний ГДВ).

Повідомляються характеристики створеного в ІРЕ НАН України ізохронного ГДВ мм діапазону (33-37 ГГц) і перспективи його розвитку.

II. Основна частина

Розроблений ГДВ містить малооб’ємних ОР

[4], утворений сферичним дзеркалом з радіусом кривизни 80мм і плоским дзеркалом; діаметр апертури дзеркал 2а = 27мм. У центрі сферичне дзеркало має щілину зв’язку 0,25 x7, 2 мм, плавно переходить в стандартний хвилевід. На плоскому дзеркалі розміщується періодична структура у вигляді двох зустрічних «вертикальних» ізохронних дифракційних решіток, рознесених на відстань 8 = 0,2 мм для каналу електронного потоку (ЕП) та забезпечення зв’язку між резонаторами структури. Загальна довжина структури – 24мм, ширина – Ь = 8мм \ на довжині 10,2 мм резонатори структури мають однаковий період 1 = 0,85 мм, а на решті довжині – відстань між резонаторами поступово зменшується на 0,01 мм. ГДВ працює в діапазоні частот (33-37) ГГц при прискорюють напругах (2,4-3,42) кВ і «малих» відстанях між дзеркалами ОР (до 5мм, рис.1). З аналізу кривих на рис.1 випливає, що в ОР ГДВ збуджується сильно розряджений спектр коливань типу ТЕ Mm, ТЕМ2 oq і ТЕМ002 (криві 1,2,3 відповідно). Крутизна механічної перебудови коливання ТЕМ001 складає ~ 1 ГГ \ л / мм, а для коливання ТЕМоог ~ 0,85 ГГ’j / mm.

Puc. 2. Зміна потужності і частоти ГДВ в межах зони генерації.

Fig. 2. The output power and frequency within the DRO oscillation band

На рис. 2 показані залежності вихідної потужності Р (криві 1, 3) і частоти f генерації (криві 2, 4) від ускоряющего напруги U при електронному струмі 110 ТА (криві 1, 2) і струмі 80тА (криві 3, 4) відповідно. З цих графіків видно, що електронна перебудова частоти при струмі 110тА складає ~ 90 МГц з крутизною перебудови (на рівні Р / 2) ~ 0,48 МГІ / В.

На ріс.З представлені залежності Р, ККД та оптимального ускоряющего напруги U генератора від електронного струму / пучка. Видно, що при струмі 140 та вихідна потужність Р ~ 40Вт з ККД приладу ~ 8,76%.

Рис. 3. Залежності Ріг; ГДВ від електронного струму.

Fig. 3. The Р and?; Behavior depending on the electron current

Подальше збільшення струму призводить до перегріву ГДВ (потрібна спеціальна система охолодження генератора).

III. Висновок

Створено ГДВ мм діапазону (33-37ГГц) з ізохронний періодичної структурою у вигляді ланцюжка пов’язаних відкритих хвилеводних прямокутних резонаторів. ГДВ має підвищені значення вихідний потужності (-40Вт) і ккд ~ 8,76%.

Отримані результати вказують на перспективу створення ізохронних ГДВ в короткохвильовій частині мм діапазону.

IV. Список літератури

[1] В. П. Шестопалов. Дифракційна електроніка. Вид. Вища школа, 1976, 231с ..

[2] Генератори дифракційного випромінювання / Под ред. Шес-Топалова В. П. – Київ: Наук, думка, 1991. -320 С.

[3] Корнеенков В. К., Мірошниченко В. С. Пакетований ГДВ діапазону частот 25-100 Ггц, 1-й Український симпозіум “Фізика і техніка мм і субмм радіохвиль», Харків 15-17 жовтня 1991 р .: Тез. докл. -Харків, Вид. ІРЕ АН УРСР, 1991,-Т.1.-С.130-131.

[4] Демченко М. Ю., Корнеенков В. К., Скринник Б. К. Малооб’ємні генератор дифракційного випромінювання – Радіофізика та електроніка. Харків. Изд-во ІРЕ НАН України. 2000, т.5, № 2. – С. 140-144.

[5] Нестеренко А. В., Цвик А. І., Шестопалов В. П. Мініатюризація генератора дифракційного випромінювання. / / Докл. АН СССР.-1984.-277, № 1. – С.84-88.

[6] Потужні електровакуумні прилади НВЧ. / Под ред.

Л. Клемпітта. М: Мир. 1974,-70С

[7] Еремко В. Д., Корнеенков В. К., Мірошниченко В. С., Стадник. В. Ізохронний генератор дифракційного випромінювання. IX Всесоюзну. конф. по електроніці НВЧ. Тез. докл. Київ, 1979, т.1. – С.260.

Робота виконана при частковій фінансовій підтримці за міжнародною програмою УНТЦ, проект 1770.

THE ISOCHRONOUS DRO

KorneenkovV. К., Skrynnik В. К., and TsvykA. I.

The A. Ya. Usikov’s IRE NAS of Ukraine 12, Ak.Proskury str., Kharkov, 61085, Ukraine tel: +380(57) 7448548; e-mail: tsvyk@ire.kharkov.ua

Abstract – A packetized 33-37 GHz diffraction radiation oscillator (DRO) using an isochronous grating has been developed. The offered output power is 40 W and the efficiency is -8.76% at the voltage of 3.2 kV and the electron current of 140 mA. The DRO weight including the magnet system is 5 kg.

I.  Introduction

A set of the mm-wave (0.8 – 10 mm) DRO devices developed in the IRE NAS of Ukraine is well known [1, 2, 3]. These DRO devices are built around a semi-spherical or spherical cylindrical open resonator (OR) with one of the mirrors carrying a diffraction grating. Although a fairly wide combined tuning range (about half an octave) is offered, the DRO efficiency (77 ~ 1—2°0) is not high, and the oscillation output power, P , is only few watts. It has been experimentally found by V. K. Korneenkov that the 77 and P values can be enhanced when the periodic structure looks like two ‘vertical’ gratings. In the report, the output characteristics of the 33-37 GHz DRO using such a grating are given, and the prospects of the device at the short millimeters are discussed.

II.  Main part

The discussed DRO uses a small-volume OR [4] with two isochronous gratings [6, 7]. The total length of the gratings is 24 mm, the width is 8 mm. Through a length of 10.2 mm, the grating period is I = 0.85 mm. After that the grating pitch is stepwise reduced by 0.01 mm down to 0.79 mm in an effort to optimize the asynchronism parameter.

The DRO range of operation is 33-37 GHz (Fig.1), with the voltage varying from 2.4 to 3.2 kV and the mirror spacing 5 mm.

Fig.2 reports the output power P (curves 1 and 3) and the oscillation frequency (curves 2 and 4) versus the accelerating voltage at the operating current kept to be 110 mA (curves 1 and 2) and 80 mA (curves 3 and 4). Fig.3 shows the P and 77 behavior and the optimum accelerating voltage, U, depending on the electron current. At a current of 140 mA, the DRO output power reaches P ~ 40 W, and the efficiency is rj ~8.76%. The DRO weight including the magnet system is 5 kg.

III.  Conclusion

The obtained results encourage us to further develop the isochronous DRO in the short-wave part of the mm range.

The work is due to a partial financing support of the STCU, Project N1770.

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