Рассмотрена возможность использования сильно нелинейных процессов при управляемом лавинном пробое для умножения частоты с большой кратностью и малыми потерями на умножение. Приведены результаты исследований в диапазоне частот 100-360 ГГц.

Приведены результаты разработки гибридно-интегрального умножителя частоты в диапазоне частот 35 - 40 ГГц, предназначенного для применения в источниках с электрической перестройкой частот.

The results of development of hybrid IC 35-40 Ghz frequency multiplier for application in supplies with electric frequency realignment.

Ключ. слова: клинотрон, оротрон, орботрон, умножители частоты, миллиметровый диапазон волн, диапазон терагерц
Індекс рубрикатора НБУВ: З848-041.4

Рубрики:

Радіопередавальні пристрої (радіопередавачі)

Шифр НБУВ: Ж69398 Пошук видання у каталогах НБУВ 

Проведен теоретический анализ механизмов возбуждения автоколебаний в магнетронах с вторично-эмиссионным катодом без применения вспомогательного термокатода. Изучены процессы возбуждения автоколебаний с помощью внешнего СВЧ-сигнала и с использованием модулированного импульса анодного напряжения. Определены условия, при которых возможна реализация указанных механизмов возбуждения автоколебаний. Приведены результаты сравнения численного моделирования с экспериментальными данными, полученными для магнетронов миллиметрового диапазона длин волн.

Узагальнено існуючу теорію магнетронів на просторових гармоніках. Запропоновано математичну модель для вивчення власних і вимушених коливань у неоднорідних коливальних системах магнетронного типу. За допомогою цієї моделі досліджено вплив різних видів неоднорідностей і температурних ефектів на властивості резонаторних систем й енергетичні характеристики магнетронів на просторових гармоніках. Запропоновано спосіб керування характеристиками резонаторних систем магнетронів і самих магнетронів на базі введення в них періодичних неоднорідностей. На підставі результатів статистичного аналізу впливу випадкових неоднорідностей визначено вимоги до точності виготовлення коливальних систем магнетронів на поверхневих гармоніках. Проаналізовано властивості вимушених коливань у резонаторних системах за наявності неоднорідностей різних типів. Завдяки розв'язанню нелінійної самоузгодженої системи рівнянь вивчено особливості електронно-хвильової поверхневої взаємодії та закономірності формування поля просторового заряду у резонаторних системах магнетронного типу за наявності в них малих періодичних неоднорідностей.

Розроблено новий метод множення частоти фазоманіпульованих сигналів, що, на відміну від існуючих методів, забезпечує множення лише частоти несучого коливання, тоді як фаза сигналу залишається незмінною та не призводить до множення фазових спотворень, присутніх у вхідному сигналі. Вперше синтезовано структуру помножувача частоти фазоманіпульованих сигналів, в якій базовий помножувач частоти кратності два використовується як оптимізований за кутом відтину помножувач, що працює за принципом фазового придушення. Вперше доведено можливість перетворення фазоманіпульованих сигналів за частотою без використання змішувачів і допоміжних джерел опорних, гетеродинуючих і проміжних частот.

Проведено теоретическое исследование умножения частоты в гибридном электронном приборе О-типа с многопучковой электронно-оптической системой. Для анализа используется многомерная нелинейная теория двухкаскадных приборов с длительным взаимодействием. Установлены физические причины повышения эффективности взаимодействия при формировании заданного распределения начальных скоростей парциальных потоков многослойного электронного пучка.

Запропоновано структурно-функціональні схеми помножувачів частоти дискретизованих гармонічних сигналів у парну кількість разів. Схеми призначено для прецизійної обробки сигналів із довільними скінченними значеннями амплітуд і частот. Перетворення сигналів здійснюється лінійно, без спотворень амплітуди та частоти. Помножувачі не потребують додаткового фільтрування вихідних сигналів.

Індекс рубрикатора НБУВ: З848-041.4

Рубрики:

Радіопередавальні пристрої (радіопередавачі)

Шифр НБУВ: Ж29409/А Пошук видання у каталогах НБУВ 

Наведено математичну модель феромагнетного потроювача частоти на базі трифазного трансформатора. Запропоновано метод аналізу перехідних та усталених процесів.

Разработан утроитель частоты на диоде с барьером Шоттки для приемной системы 3-мм диапазона, с помощью которой проводятся наблюдения линий излучения атмосферных озона и монооксида углерода на частотах 110,836 и 115,271 ГГц соответственно. Исследованы характеристики использованного в работе варактора и рассчитаны его предельные значения эффективности утроения частоты в 3-мм диапазоне длин волн. Предложена конструкция умножителя, которая позволила реализовать близкие к расчетным уровни эффективности преобразования частоты. Исследованы характеристики разработанного умножителя в диапазоне частот 109 - 136 ГГц. На частоте 132 ГГц реализовано значение выходной мощности 8 мВт при мощности накачки около 62 мВт. Измерены зависимости эффективности, выходной мощности и рабочего тока утроителя от входной мощности на требуемой для атмосферного приемника частоте 112,5 ГГц. Максимальное значение эффективности (18 %) реализовано на этой частоте при мощности накачки 15 мВт. Определены значения входной мощности, рабочего тока и обратного смещения разработанного утроителя частоты, необходимые для оптимальной работы приемника при наблюдении линий излучения атмосферных газов.

Проведено численное исследование группировки электронов в клинотроне с помощью разработанной ранее специальной программы, учитывающей специфику клинотронного режима. Изучено трехмерное движение электронов в ограниченном (не бесконечном) фокусирующем магнитном поле. В результате численного исследования обнаружен эффект послойной группировки электронов в клинотронных генераторах: чем дальше расположен электронный слой от поверхности замедляющей системы, тем позже происходит группировка электронов в сгустки в этом слое. Показано, что подбирая режим работы клинотрона и угол наклона фокусирующего магнитного поля к поверхности гребенки, можно обеспечить формирование плотных электронных сгустков в части пучка уже за пределами замедляющей системы клинотрона, где должна быть расположена вторая замедляющая система, работающая в режиме отборника мощности. Доказана возможность использования клинотрона при создании умножителей частоты.

Проведено числове дослідження групування електронів у клинотроні за допомогою спеціальної програми, яку розробили раніше для врахування специфіки клинотроного режиму. Досліджено тривимірний рух електронів у обмеженому (не безкінечному) магнітному полі. У результаті числового дослідження виявлено ефект пошарового групування електронів у клинотронних генераторах: чим далі розташований шар електронів від поверхні системи для уповільнення хвиль, тим пізніше відбувається групування електронів у згустки в цьому шарі. Показано, що добираючи режим роботи клинотрона та нахил фокусуючого магнітного поля до поверхні гребінки, можна забезпечити формування щільних електронних згустків у частині пучка вже за межами уповільнюючої системи клинотрона, де має бути розташована друга уповільнювана система, яка працює в режимі відбирача потужності. Доведено можливість використовувати клинотрон у процесі створення помножувачів частоти.

There is a problem of designing convenient in use and not particularly expensive oscillators for mastering the sub-millimetre waveband. The backward wave oscillators (BWOs) provide good results in the long-wavelength part of the sub-millimetre waveband. However, their advancement in the short-wavelength part of the sub-millimetre waveband causes substantial problems. Existing technological opportunities do not allow to obtain extremely thin high-current-density electron beams necessary for this waveband. Application of the frequency multipliers could weaken requirements to the electron beams considerably. A clinotron-type oscillator can be used for bunching electron beam in the frequency multiplier. In the clinotron oscillator, a wide and comparatively thick sheet electron beam is directed at a small angle to the surface of the slow-wave structure and is partly dispersed on this surface. Clinotron provides output powers a few orders of magnitude greater than conventional BWOs of the same waveband. This is important for obtaining good (i.e., deep) bunching of an electron beam. In clinotron-type oscillators, it is necessary to investigate the process of dense electron bunching and to clarify the conditions of its use for bunching electron beam in a frequency multiplier. In this article, numerical simulation of electron bunching is conducted in the clinotron by means of our previously in-house designed special computer program, which takes into account the specifics of the clinontron operational regime. Three-dimensional motion of electron is investigated in the finite focusing (guide) magnetic field. As a result of numeral simulations, we find the effect of “layer-by-layer” bunching of the electron beam in a clinotron-type oscillators. The farther an electron layer is located from the surface of the slow-wave structure the later electron bunching in that layer occurs. We show that singling out the clinotron operating regime and the slope angle of the guide magnetic field to the surface of the comb allows one to ensure the formation of dense electron bunches in the part of the beam outside the clinotron slow-wave structure, where the second slow-wave structure (working in the power-catching regime) must be located. Thus, the principal possibility of the clinotron use for designing a frequency multiplier is proved.

Указано, что для субмиллиметрового диапазона волн возможно выполнить умножитель в виде двухкаскадного генератора типа «клинотрон», который одновременно является и модулирующим генератором и отборникоммощности. Численные теоретические исследования показали, что в клинотроне существует эффект послойной группировки электронов в ленточном пучке: чем дальше расположен слой электронов от поверхности гребенки, тем позже происходит группировка электронов в сгустки в этом слое. В удаленном слое электроны формируются в сгустки уже за пределами гребенки модулирующей части клинотрона, поэтому клинотрон может использоваться в качестве модулятора электронного потока. Проведена экспериментальная проверка этой возможности; описана простая конструкция клинотрона-умножителя и приведены результаты экспериментального исследования работы этого прибора. В модулирующей части клинотрона генерируются колебания с длиной волны λ около 2,8 мм, а в отборнике мощности – сигнал с длиной волны λ около 0,93 мм. Продемонстрирована возможность уменьшить в этом приборе индукцию фокусирующего магнитного поля до 0,5 - 0,3 Тл, тогда как для лампы обратной волны этого диапазона нужно магнитное поле порядка 1,0 Тл.

Зазначено, що для субміліметрового діапазону хвиль можна створити помножувач у вигляді двокаскадного генератора типу «клинотрон», який одночасно буде генератором для модуляції, модулятором і відбірником потужності. Теоретичні числові дослідження показали, що у клинотроні існує ефект пошарового групування електронів у стрічковому пучку: чим далі розташований шар електронів від поверхні гребінки, тим пізніше відбувається групування електронів у згустки в цьому шарі. Тому клинотрон може бути використаний як модулятор електронного потоку. Проведено експериментальну перевірку такої можливості; описано просту конструкцію клинотрона-помножувача й наведено результати експериментального дослідження роботи цього приладу. У моделюючій частині клинотрона генеруються коливання з довжиною хвилі   2,8 мм, а у відбірнику потужності - з довжиною хвилі   0,93 мм. Продемонстровано можливість зменшити у цьому приладі індукцію фокусуючого магнітного поля до 0,5 - 0,3 Тл, тоді як для лампи зворотньої хвилі цього діапазону потрібно магнітне поле близько 1,0 Тл.

In comparison to backward wave oscillator (BWO) of O-type, requirements to the quality of electron beams are weakened in the frequency multipliers. Therefore, frequency multipliers may have a considerable perspective for mastering the sub-millimetre waveband, although, their output power is usually less than in the BWOs of the comparable waveband. Experimental works on the frequency multipliers are known in the millimetre waveband. In those devices, a resonator of klystron type, fed by an external power oscillator of the centimetre waveband, serves as the buncher section. The slow-wave structure of the comb type operates in the power-catching regime. We are certain that for the sub-millimetre waveband it may be possible to design a multiplier as a two-cascade clinotron-oscillator, which is simultaneously a modulating generator, a buncher, and a power-catcher. Numeral simulations showed that in the clinotron there exists the effect of “layer-by-layer” bunching of electrons in a sheet beam: the farther an electron layer is located from the surface of the comb, the later electron bunching in that layer occurs. In a remote layer, electrons form bunches outside the comb of the modulating part of the clinotron. Therefore, clinotron can be used as anelectron beam buncher. The aim of the present work was an experimental verification of this possibility. In the paper, a simple design of a clinotron-multiplier is introduced, and the results of investigation of its operation are presented. In the buncher section of the clinotron, oscillations are generated with the wavelength of 2.8 mm. In the power-catcher section, a signal is generated with the wavelength of 0.935 mm. We also demonstrate the possible decrease in the magnetic field induction of the focusing (guide) magnetic field to 0.5÷0.3 T in this device, while for a BWO of the same waveband the necessary guide magnetic field is about 1.0 T.

Разработка компактных генераторов электромагнитного излучения, способных в непрерывном режиме обеспечить уровни мощности в единицы Ватт и выше в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах, является актуальной задачей для большого числа практических приложений, в частности, для повышения чувствительности спектрального анализа на ядерно-магнитном резонансе с динамической поляризацией ядер. Проведено моделирование параметров клинотрона с центральной рабочей частотой 130 ГГц на основе результатов экспериментальных исследований параметров однотипных генераторов 2-мм диапазона волн. По результатам проведенного анализа рабочих характеристик генераторов определены частотные зависимости параметров пространственного заряда, параметра усиления по Пирсу, а также числа замедленных волн, укладывающихся вдоль системы. Полученные значения использованы при расчете замедляющих систем типа "плоская гребенка", а также при последующем моделировании рабочих характеристик клинотронов с данными системами. По результатам моделирования предложены конструкции клинотронов с однородной и четырехступенчатой замедляющей системой. Экспериментально получена генерация колебаний в генераторе с однородной замедляющей системой в диапазоне частот 125 - 135 ГГц. Изучены пусковые условия генерации в зависимости от величин тока пучка и индукции фокусирующего магнитного поля. В процессе экспериментального исследования рабочих характеристик данного клинотрона показано хорошее соответствие полученных данных и результатов теоретического моделирования. Предложено использование изложенной методики расчета электродинамической системы для клинотронов в соседних диапазонах длин волн.

Проведено теоретическое исследование закономерностей воздействия неоднородного фокусирующего поля на характеристики двухрежимного генератора с двумя выходными сигналами на кратных частотах. Анализ проводится на основе нелинейной многомерной теории резонансных приборов О-типа с длительным взаимодействием с учетом оседания электронов на поверхность замедляющей системы. Установлены значения параметров локальной неоднородности фокусирующего поля, для которых реализуется повышение эффективности взаимодействия на высших гармониках частоты модуляции электронного потока полем поверхностной волны.

Розглянуто результати експериментальних та теоретичних досліджень впливу механічних дефектів на стан резонаторної системи потужного клістрона. Дана числова оцінка впливу дефектів об'ємом 1 - 5 % від об'єму резонатора на його АЧХ.