Одаренко Е. Н., Шматько А. А. Харківський національний університет, пл. Свободи, 4, Харків 61077, Україна Тел.: (0572) 457424; e-mail: evgeniy.n.odarenko @ univer.kharkov.ua

Анотація Теоретично досліджується гібридна електронно-хвильова система О-типу в режимі множення частоти. Аналіз проводиться на основі самоузгодженого нелінійної теорії взаємодії потоку заряджених часток з високочастотними і статичними полями, яка враховує багатовимірність електронно-оптичної та електродинамічної системи. Встановлено основні закономірності посилення гармонік частоти вхідного сигналу для різних параметрів електронно-хвильової системи.

I. Вступ

Взаємодія заряджених частинок з електромагнітними полями в багатокаскадних електронноволнових системах супроводжується формуванням просторово-часової структури електронних потоків, багатої гармонійними складовими. Підвищення потужності вхідних сигналів Ро призводить до значного ускладнення енергообміну між пучком і синхронної хвилею, що обумовлено нелінійністю фізичних процесів. Використання певних ділянок простору взаємодії для посилення гармонік вхідного сигналу дозволяє, з одного боку, збільшувати частоту випромінювання, а з іншого при певних умовах підвищувати ефективність енергообміну.

У даній роботі на основі самоузгодженої багатовимірної теорії [1] розглядається одна з можливих схем множення частоти в гібридної електронно-хвильової системі, що включає в себе нерезонансні і резонансні ділянки простору взаємодії. Теоретичне дослідження проводиться для різних рівнів потужності вхідних сигналів з урахуванням ефектів, обумовлених багатомірністю траєкторій електронів і електромагнітних полів уповільнюють структур.

II. Основна частина

Fig. 2. Amplitude response for different harmonics of the input signal frequency

Рис. 1. Крутизна амплітудної коливальної характеристики

Рис. 2. Резонансні характеристики для різних гармонік частоти вхідного сигналу

Розглядається гібридна схема помножувача частоти, в якій підсилюваний сигнал надходить на вхід нерезонансноі електронно-хвильової системи, а виділення гармоніки частоти цього сигналу відбувається в резонансній системі О-типу з тривалим взаємодією. Нерезонансний ділянка простору взаємодії в загальному випадку є секціонірованние з метою підвищення ефективності енергообміну та усунення паразитних зворотних зв’язків. У даній роботі основну увагу приділено аналізу посилення порівняно потужних вхідних сигналів, тобто на вхід резонансного ділянки простору взаємодії надходить електронний потік, промодулірованний як за швидкістю, так і по щільності в результаті нелінійного електронно-хвильового взаємодії.

Важливу роль при дослідженні багаточастотних режимів роботи електронних приладів з тривалим взаємодією грає опір зв’язку, багато в чому визначає ефективність взаємодії потоків заряджених часток з полем замедляющей системи [2]. У багатомірних моделях електронно-хвильового взаємодії облік зміни цього параметра є природним, причому розглядається також зміна амплітудного розподілу як поздовжнього, так і поперечного високочастотного поля по товщині пучка. Отже, в даному випадку зміна опору зв’язку для різних гармонік частоти сигналу і високочастотне розшарування пучка є взаємопов’язаними факторами електронно-хвильового взаємодії.

Розрахунки були проведені для випадку гауссовского амплітудного розподілу поля на резонансній ділянці простору взаємодії. Передбачалося також, що імпедансна поверхню розташована тільки на одній площині нерезонансний планарной структури. На рис.1 представлені амплітудні залежності дійсної частини середньої комплексної крутизни коливальної характеристики резонансного каскаду для різних гармонік частоти вхідного сигналу (номер кривої співпадає з номером гармоніки N). Показані також оптимальні значення фази вихідного сигналу у до різних значень N. Збільшення номера гармоніки призводить до зниження ефективності взаємодії (електронний ККД пропорційний Si). Зміна опору зв’язку зі збільшенням N обумовлює додаткове зменшення Si. З графіків на рис.1 випливає, що для даного набору параметрів системи ефективне множення частоти можна отримати лише при N <5. Щоб отримати більш високий коефіцієнт множення, слід компенсувати зменшення опору зв’язку при підвищенні частоти вихідного сигналу.

Зміна оптимального значення фази вихідного сигналу для різних значень N свідчить про те, що для даного рівня вхідної потужності процес енергообміну в модуляторі є суттєво нелінійним і для теоретичного аналізу можна обмежуватися лінійним наближенням. У цьому зв’язку слід зазначити, що для значення Р0= -60 DB для всіх гармонік оптимальне значення фази у однаково і однаково п.

На рис. 2 представлені резонансні характеристики для різних значень N. Суцільні криві відповідають стійким значенням амплітуди коливань, штрихові нестійким. Збільшення номера підсилюється гармоніки супроводжується, крім зниження максимальної амплітуди коливань, зміною оптимальної частотної розладу ДЗГ та звуженням смуги синхронізації.

Підвищення потужності вхідних сигналів призводить до зміни умов множення частоти в досліджуваній системі. Результати розрахунків показують, що для значень Ро, що перевищують деяке порогове значення (визначається набором незалежних параметрів системи), ефективне множення частоти стає проблематичним. В цьому випадку навіть для другої і третьої гармоніки рівень вихідної потужності виявляється приблизно рівним або меншим потужності вхідного сигналу. Дана ситуація характеризується значним рівнем угруповання пучка на вході резонансного ділянки простору взаємодії. У цьому випадку вихідні характеристики системи в основному визначаються властивостями модулирующих (нерезонансних) ділянок приладу.

I. Висновок

Розглянуті закономірності множення частоти в гібридної електронно-хвильової системі дозволяють визначити основні чинники, що впливають на ефективність енергообміну при посиленні гармонік вихідної частоти. Слід відзначити можливість аналізу в рамках своєї моделі різних схем множення і перетворення частоти і розробки на цій основі ефективних багатофункціональних пристроїв.

II. Список літератури

[1] 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 і телекомунікаційні технології “. Матеріали конф. [Севастополь, 9-13 вересня 2002 р.]. Севастополь: Вебер, 2002, стор 201-202.

[2] Кац А. М., Ільїна Є. М., Манькін І. А. Нелінійні явища в СВЧ приладах О-типу з тривалим взаємодією, М.: Сов.радіо, 1975,296 с.

FREQUENCY MULTIPLICATION IN THE HYBRID O-TYPE BEAM-WAVE SYSTEM

Odarenko E. N., Shmat’ko A. A.

Kharkov National University Svobody Sq.4, Kharkov 61077, Ukraine phone: (0572) 457424 e-mail: evgeniy.n.odarenko@univer.kharkov.ua

Abstract Using of hybrid О-type beam-wave system as a frequency multiplier is theoretically researched. We have carried out the analysis on the base of nonlinear self-consistent theory of beam-wave interaction, which takes into account the multidimensionality of electron-optical and electrodynamic systems. The main regularities of input signal harmonics amplification for different parameters of the beam-wave system are obtained.

I.  Introduction

The interaction of charged particles with electromagnetic fields in multistage beam-wave systems results in the creation of electron streams time-space structure with variety of harmonics. The increase of input signals power P0 complicates the interaction between the electron beam and synchronous wave, which is stipulated by nonlinearity of physical processes. Using of particular sections of interaction region for input signal harmonics amplification allows, on the one hand, to increase the radiation frequency, and on the other hand to enhance the efficiency under certain conditions.

The present work describes one of the possible schemes of the frequency multiplication in the hybrid beam-wave system including nonresonance and resonance sections of the interaction region on the basis of the multidimensional self-consistent theory [1]. Theoretical investigation of different power levels of input signals in view of effects stipulated by multi-regularity of electrons trajectories and electromagnetic fields of the slowwave circuits is performed.

II.  Main part

In this paper considered is the hybrid scheme of frequency multiplier, in which the initial signal enters the input of the nonresonance beam-wave system, and amplification of the frequency harmonics of this signal takes place in the resonance О-type system with prolonged interaction. Generally the nonresonance section of the interaction region is partitioned with the purpose of efficiency enhancement and parasitic feedbacks elimination. The present work is focused on the analysis of amplification of rather powerful input signals. The velocity-modulated and densitymodulated electron beam enters the resonance section of the interaction region.

The calculations were performed for the Gauss amplitude distribution of rf field in resonance section of interaction region. We also assumed that impedance surface is disposed only on one plane of nonresonance planar structure.

Fig. 1 shows amplitude depending on the real part of transadmittance of resonance stage oscillatory characteristic for different harmonics of the input signal frequency (number of the curve coincides with harmonic number N). The optimum values of the output signal phase for different N are also shown.

Fig. 2 shows the amplitude-frequency responses for different values N. Solid curves indicate the steady values of oscillations amplitude; dashed curves indicate the unstable amplitude values. The increase of amplificated harmonics number results in the decrease of maximum oscillations amplitude, change of the optimum frequency detuning, and synchronization band narrowing.

III.  Conclusion

The considered regularities of frequency multiplication in the hybrid beam-wave system allow to determine the main factors influencing the efficiency and output power. Used physicsbased nonlinear model provides the opportunity of the analysis of the different frequency multiplication and conversion schemes and multidimensional simulation capability for highperformance devices design.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2003р.