Мясин Е А, Ільїн А Ю, Євдокимов В В, Чигарев С Г Фрязінскій філія Інституту радіотехніки й електроніки Російської академії наук Фрязіно, пл Введенського д 1, Московська обл тел (495) 785 – 5639 д14-54, e-mail: eami68@msirerssiru

Анотація – Розглянуто питання про можливість ефективної генерації випромінювання терагерцового діапазону частот в оротрона на вищих просторових гармоніках відкритої періодичної структури (ОПВ) Експериментально показана можливість генерації в оротрона електромагнітних коливань короткохвильової частини міліметрового діапазону хвиль на другий просторової гармоніці ОПС

I                                       Введення

Розвитку елементної бази терагерцового діапазону, особливо розробки і створення джерел цього випромінювання, в даний час приділяється все більша увага [1] Через специфічні особливості цього діапазону джерела О – типу можна розділити на дві групи: високовольтні і низьковольтні У кожній з них на шляху створення приладів виникають свої труднощі Для першої групи вони повязані в основному із створенням джерел інтенсивних електронних потоків і меншою мірою з подоланням труднощів зі створення дрібнорозмірних ОПС [2] Для другої групи приладів створення дрібнорозмірних ОПС, особливо для безперервних режимів роботи, є основною проблемою У цьому звязку робота на вищих просторових гармоніках ОПС на наш погляд представляється перспективним рішенням цієї проблеми

II                              Основна частина

в роботі [3] розглянуто питання про формування просторових гармонік в Двухзеркальная відкритому резонаторі (ОР) оротрона і основну увагу приділено оптимізації ОЕДС на першому просторової гармоніці При цьому скрізь розглядається варіант відкритої періодичної структури (ОПВ) у вигляді чверть хвильової «гребінки»

Однак, як показують результати експериментів (у тому числі і авторів роботи [3]), генерація в оротрона може бути реалізована в діапазоні частот порядку октави Тому становить інтерес досліджувати зміна геометрії ОПС за діапазоном більш докладно

Приклад такого дослідження наведено на малюнках 1 і 2 На рис1 представлені залежності амплітуд 5-ти перших просторових гармонік від заповнення d / l, де d – це ширина канавки (щілини), I – період гребінки при глибині канавки (висоті гребеня) bi = 0,2 λ, де λ – довжина хвилі На відміну від випадку оптимального для роботи на першій просторової гармоніці, дослідженого авторами [3], коли 2-я просторова гармоніка взагалі відсутня, можна бачити, що, по-перше, при всіх d / l, крім d / l = 0,5, вона присутня, і, по-друге, досягає максимуму як при великих, так і при менших значеннях d / l, причому має місце різниця амплітуд в цих максимумах

d/l

Рис 1 Амплітуди просторових гармонік при глибині канавки Ь = 0,2 Х

Fig 1 The space harmonic amplitudes for groove depth b=0,2X

Ha рис 2 представлені залежності амплітуд тих же гармонік від глибини канавки Ь при d / l = 0,1 Порівнюючи залежності малюнків 1 і 2, приходимо до висновку, що оптимальною для роботи на вищих просторових гармоніках є ОЕДС із заповненням d / l = 0,1 або близьке до нього

Split deep, b/λ

Рис 2 Амплітуди просторових гармонік при d / l = 01

Fig 2 The space harmonic amplitudes for dA =01

В якості першого кроку, з сказаного вище, була створена дворядна ОПС, яка мала період I = 0,6 мм, заповнення d / l = 0,25, а глибину канавки 0,25 мм

При цьому, хоча залежність амплітуд гармонік такий ОПС від глибини канавки при Ь = 0,25 λ і має яскраво виражений резонансний максимум, однак різниця в 30% зберігається тільки між амплітудами перших і другий гармонік (див рис 2) Відповідно до цього збудження генерації при правильно вибраних параметрах всій ОЕДС слід очікувати на

2 – й гармоніці

Вибір величини періоду був продиктований двома обставинами По-перше, ми досліджували раніше

[4] Оротрон, який працював на першому просторової гармоніці з ОПС, що має такий же період, але з заповненням d / l = 0,5 і з глибиною канавки Ь = 0,5 мм, по-друге, була досліджена робота оротрона з періодом 0,3 мм, заповненням 0,5 і глибиною канавки Ь = 0,5 мм Це давало можливість більш детально провести порівняння роботи приладів, що працюють на першій і другій гармоніках

Створений макет оротрона мав в якості ОЕДС півсферичний ЗР, на плоскому дзеркалі якого містилася гребенчатая ПС В якості фокусирующего дзеркала використовувалися сферичні дзеркала з двома різними радіусами кривизни Ri = 93 мм і R2 = 170 мм

Так як геометрія простору взаємодії оротрона була такою ж, як в оротрона, що працюють на першому просторової гармоніці, то діапазон робочих напруг повинен був відповідати діапазону приладу з періодом 0,3 мм Так і виявилося в експерименті На рісЗ представлені залежності вихідної потужності (у відносних одиницях) і напруги від частоти для оротрона з сферичним дзеркалом, мають радіус кривизни Ri = 93 мм і ОПС з періодами 0,6 мм і 0,3 мм при Ь =

0, 5мм і з періодом 0,6 мм і Ь = 0,25 мм

Рис 3 Залежності потужності і напруги від частоти

Fig 3 Output power and voltage \/s frequency

З аналізу цих залежностей випливає, що діапазон частот генерації перекриває практично весь 2мм діапазон і початок 1 мм діапазону При цьому низькочастотна (НЧ) кордон перебудови збігається з НЧ кордоном оротрона з ОПС при періоді 0,3 мм (вона в обох випадках обмежена діапазоном зміни напруги джерела живлення), а ВЧ межа відповідає істотно більш високим частотам, що можна пояснити меншою глибиною канавки (0,25 мм, а не 0,5 мм) Ця тенденція ще більш виражена в оротрона з R2 = 170 мм, що можна пояснити збільшенням радіуса каустики на плоскому дзеркалі і, як наслідок, довжини взаємодії

III Висновок

Показано перспективність роботи низьковольтних приладів цього класу з ОЕДС, оптимізованої дя роботи на вищих просторових гармоніках, при просуванні в терагерцовий діапазон частот

IV                           Список літератури

[1] Myasin Ye А, Evdokimov V V, Ilyin А Yu, TchigarevS G Joint 30 ‘ Int Confer On Infrared and Millimeter Waves and 13 ‘ Int Confer On Terahertz Electronics Williamsburg, Virginia, USA Sept 19-23 2005 Confer Dig P506-507

[2]  G Doucas, J H Mulvey, M Omori, J Walsh et al First Observation of Smith-Purcell Radiation from Relativistic Electrons Phys Rev Letters1992 V69 № 12 p1761

[3] Русин Ф С, Богомолов Г Д Електроніка великих потужностей 1968 Вип 5 С38 Вид-во «Наука», М

[4] Мясин Е А, Євдокимов В В, Ільїн А Ю, Чигарев С Г Радіотехніка та електроніка 2005 Т50 № 8 С 991-996

OPERATION OF THE SHORT- MILLIMETER-WAVE OROTRON ON THE SECOND SPACE HARMONIC

Myasin E A, Ilyin A Yu,

Evdokimov V V, ChigarevS G

Institute of Radioengineering and Electronics RAS Fryazino, Vvedenskogo sq,1, 141190, Russia Ph: (495)785-5639(14-54) e-mail: eam168@msire rssi ru

Abstract – The possibility of terahertz generation in orotron operating on high-order space harmonics is considered Experimental results for orotron operation on the second space harmonic in short-wave part of millimeter wavelength band are presented

I                                         Introduction

Two problems in the development of 0-type terahertz devices can be traced As far as high-voltage devices are considered, the main problem is the creation of intense electron beam sources [2] For the low-voltage devices the great problem is development of fine-size periodic structures, especially for con- tinuous-wave operation [1]

II                                        Main Part

In [3] the optimal first space harmonic operation of orotron containing 2-mirror open resonator (OR) and open periopdic structure (OPS) as λ/4 grating is considered As the frequency tuning of orotron may achieve an octave value it is interesting to investigate the influence of OPS geometric parameters in details Fig 1 shows the dependence of space harmonics amplitudes on d/I ratio for the first 5 harmonics for b=02X (here d is the width of grating split, I – its period, b – the height of grating comb, λ – the generation wavelength) Fig 2 shows the dependencies of these space harmonic amplitudes on b/λ ratio for d/l=01 Analysis (Fig 1 and Fig 2) allows to consider that for high-order harmonic orotron operation the optimal OPS is the OPS with d/I -01 or near that value The first step to verify this conclusion was the experiment with two-row OPS with 1=06 mm, d/l=025and b=025 mm The selection of such period value was based on our two preceding experiments [4] In both cases the generation on the first space harmonic was observed So we could compare in details the orotron operation on the 1st and the 2nd space harmonics In Fig 3the experimental dependencies of output power and voltage on frequency are shown for device with OR having spherical mirror curvature radius Ro =93 mm

III                                       Conclusion

It is shown that the low-voltage orotron devices may be efficient in terahertz band when their OPS parameters are optimized for high-order space harmonic operation

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2006р