Клинотрон – умножитель частоты в субмиллиметровом диапазоне волн (λ=0,93 мм)
Целью настоящей работы являлась 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 2,8 мм, а в отборнике мощн...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Радіофізика та електроніка |
|---|---|
| Datum: | 2015 |
| Hauptverfasser: | , , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
2015
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/106190 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Клинотрон – умножитель частоты в субмиллиметровом диапазоне волн (λ=0,93 мм) / М.В. Мильчо, А.С. Тищенко, В.В. Завертанный, И.В. Лопатин, С.Н. Терехин // Радіофізика та електроніка. — 2015. — Т. 6(20), № 2. — С. 61-67. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-106190 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Мильчо, М.В. Тищенко, А.С. Завертанный, В.В. Лопатин, И.В. Терехин, С.Н. 2016-09-21T10:07:27Z 2016-09-21T10:07:27Z 2015 Клинотрон – умножитель частоты в субмиллиметровом диапазоне волн (λ=0,93 мм) / М.В. Мильчо, А.С. Тищенко, В.В. Завертанный, И.В. Лопатин, С.Н. Терехин // Радіофізика та електроніка. — 2015. — Т. 6(20), № 2. — С. 61-67. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 1028-821X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/106190 621.385.633 Целью настоящей работы являлась 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 2,8 мм, а в отборнике мощности – сигнал с длиной волны 0,93 мм. Продемонстрирована возможность уменьшить в этом приборе индукцию фокусирующего магнитного поля до 0,5…0,3 Тл, тогда как для ЛОВ этого диапазона нужно магнитное поле порядка 1,0 Тл. Мета цієї роботи – експериментальна перевірка 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 ЛЗХ цього діапазону потрібно магнітне поле близько 1,0 Тл. 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. ru Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України Радіофізика та електроніка Вакуумная и твердотельная электроника Клинотрон – умножитель частоты в субмиллиметровом диапазоне волн (λ=0,93 мм) Клинотрон – помножувач частоти в субміліметровому діапазоні хвиль ( 0,93 мм) Clinotron as a frequency multiplier in the sub-mm waveband ( 0.935 mm) Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Клинотрон – умножитель частоты в субмиллиметровом диапазоне волн (λ=0,93 мм) |
| spellingShingle |
Клинотрон – умножитель частоты в субмиллиметровом диапазоне волн (λ=0,93 мм) Мильчо, М.В. Тищенко, А.С. Завертанный, В.В. Лопатин, И.В. Терехин, С.Н. Вакуумная и твердотельная электроника |
| title_short |
Клинотрон – умножитель частоты в субмиллиметровом диапазоне волн (λ=0,93 мм) |
| title_full |
Клинотрон – умножитель частоты в субмиллиметровом диапазоне волн (λ=0,93 мм) |
| title_fullStr |
Клинотрон – умножитель частоты в субмиллиметровом диапазоне волн (λ=0,93 мм) |
| title_full_unstemmed |
Клинотрон – умножитель частоты в субмиллиметровом диапазоне волн (λ=0,93 мм) |
| title_sort |
клинотрон – умножитель частоты в субмиллиметровом диапазоне волн (λ=0,93 мм) |
| author |
Мильчо, М.В. Тищенко, А.С. Завертанный, В.В. Лопатин, И.В. Терехин, С.Н. |
| author_facet |
Мильчо, М.В. Тищенко, А.С. Завертанный, В.В. Лопатин, И.В. Терехин, С.Н. |
| topic |
Вакуумная и твердотельная электроника |
| topic_facet |
Вакуумная и твердотельная электроника |
| publishDate |
2015 |
| language |
Russian |
| container_title |
Радіофізика та електроніка |
| publisher |
Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Клинотрон – помножувач частоти в субміліметровому діапазоні хвиль ( 0,93 мм) Clinotron as a frequency multiplier in the sub-mm waveband ( 0.935 mm) |
| description |
Целью настоящей работы являлась 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 2,8 мм, а в отборнике мощности – сигнал с длиной волны 0,93 мм. Продемонстрирована возможность уменьшить в этом приборе индукцию фокусирующего магнитного поля до 0,5…0,3 Тл, тогда как для ЛОВ этого диапазона нужно магнитное поле порядка 1,0 Тл.
Мета цієї роботи – експериментальна перевірка 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 ЛЗХ цього діапазону потрібно магнітне поле близько 1,0 Тл.
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.
|
| issn |
1028-821X |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/106190 |
| citation_txt |
Клинотрон – умножитель частоты в субмиллиметровом диапазоне волн (λ=0,93 мм) / М.В. Мильчо, А.С. Тищенко, В.В. Завертанный, И.В. Лопатин, С.Н. Терехин // Радіофізика та електроніка. — 2015. — Т. 6(20), № 2. — С. 61-67. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT milʹčomv klinotronumnožitelʹčastotyvsubmillimetrovomdiapazonevolnλ093mm AT tiŝenkoas klinotronumnožitelʹčastotyvsubmillimetrovomdiapazonevolnλ093mm AT zavertannyivv klinotronumnožitelʹčastotyvsubmillimetrovomdiapazonevolnλ093mm AT lopatiniv klinotronumnožitelʹčastotyvsubmillimetrovomdiapazonevolnλ093mm AT terehinsn klinotronumnožitelʹčastotyvsubmillimetrovomdiapazonevolnλ093mm AT milʹčomv klinotronpomnožuvaččastotivsubmílímetrovomudíapazoníhvilʹ093mm AT tiŝenkoas klinotronpomnožuvaččastotivsubmílímetrovomudíapazoníhvilʹ093mm AT zavertannyivv klinotronpomnožuvaččastotivsubmílímetrovomudíapazoníhvilʹ093mm AT lopatiniv klinotronpomnožuvaččastotivsubmílímetrovomudíapazoníhvilʹ093mm AT terehinsn klinotronpomnožuvaččastotivsubmílímetrovomudíapazoníhvilʹ093mm AT milʹčomv clinotronasafrequencymultiplierinthesubmmwaveband0935mm AT tiŝenkoas clinotronasafrequencymultiplierinthesubmmwaveband0935mm AT zavertannyivv clinotronasafrequencymultiplierinthesubmmwaveband0935mm AT lopatiniv clinotronasafrequencymultiplierinthesubmmwaveband0935mm AT terehinsn clinotronasafrequencymultiplierinthesubmmwaveband0935mm |
| first_indexed |
2025-11-25T21:07:22Z |
| last_indexed |
2025-11-25T21:07:22Z |
| _version_ |
1850550123294097408 |
| fulltext |
ВВААККУУУУММННААЯЯ ИИ ТТВВЕЕРРДДООТТЕЕЛЛЬЬННААЯЯ ЭЭЛЛЕЕККТТРРООННИИККАА
_________________________________________________________________________________________________________________
__________
ISSN 1028 821X Радиофизика и электроника. 2015. Т. 6(20). № 2 © ИРЭ НАН Украины, 2015
УДК 621.385.633
М. В. Мильчо, А. С. Тищенко, В. В. Завертанный, И. В. Лопатин, С. Н. Терехин
Институт радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова НАН Украины
12, ул. Ак. Проскуры, Харьков, 61085, Украина
E-mail: astis@ire.kharkov.ua
КЛИНОТРОН – УМНОЖИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ
В СУБМИЛЛИМЕТРОВОМ ДИАПАЗОНЕ ВОЛН ( 0,93 мм)
В умножителях частоты ослаблены требования к качеству электронных пучков по сравнению с генераторами типа лампы
обратной волны (ЛОВ типа «О»). Поэтому для освоения субмиллиметрового диапазона волн могут оказаться перспективными
умножители частоты, хотя их выходная мощность обычно меньше, чем в генераторах типа ЛОВ. Известны экспериментальные
работы по умножителям частоты в миллиметровом диапазоне волн. В этих приборах модулятором является резонатор клистронно-
го типа, который запитывается внешним мощным генератором сантиметрового диапазона. Отборником мощности является замед-
ляющая система типа «гребенка». Мы считаем, что для субмиллиметрового диапазона волн возможно выполнить умножитель в
виде двухкаскадного генератора типа «клинотрон», который одновременно является и модулирующим генератором и отборником
мощности. Численные теоретические исследования показали, что в клинотроне существует эффект послойной группировки элект-
ронов 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. Целью настоящей рабо-
ты являлась 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 2,8 мм, а в отборнике мощности – сигнал с длиной волны 0,93 мм. Продемонстрирована возможность
уменьшить в этом приборе индукцию фокусирующего магнитного поля до 0,5…0,3 Тл, тогда как для ЛОВ этого диапазона нужно
магнитное поле порядка 1,0 Тл. Ил. 6. Библиогр.: 6 назв.
Ключевые слова: электроника, клинотрон, группировка, умножитель частоты, эксперимент.
Для освоения субмиллиметрового (субмм)
диапазона волн в его длинноволновой части по-
лучены хорошие результаты при использовании
лампы обратной волны (ЛОВ типа «О») и ее раз-
новидности клинотронов. Клинотрон представля-
ет собой генератор типа ЛОВ с широким ленточ-
ным электронным пучком, который направлен
под малым углом к поверхности замедляющей
системы типа «гребенка» и частично или пол-
ностью рассеивается на этой поверхности [1].
Клинотроны имеют выходную мощность на по-
рядки большую, чем обычные ЛОВ, и с их
помощью освоены миллиметровый и длинновол-
новая часть субмм диапазонов. Однако при про-
движении в коротковолновую часть субмм диапа-
зона возникают большие трудности. Основные из
них – сложность изготовления гребенок с малым
периодом (менее 0,1 мм) и возрастающие требо-
вания к плотности токов в электронных пучках и
качеству их фокусировки магнитным полем. Ос-
лабить требования к качеству электронных пуч-
ков можно, используя умножители частоты, хотя
их выходная мощность меньше, чем в обычных
ЛОВ.
Возможность использования умножите-
лей в субмм диапазоне широко обсуждается в
литературе, например [2]. Однако эксперимен-
тальные работы по умножителям выполнены
только в миллиметровом диапазоне, например [3].
Для модуляции электронного пучка использова-
лись резонаторы типа клистронного, которые за-
питывались мощным сигналом сантиметрового
диапазона. Отборником мощности была гребенка
миллиметрового диапазона. При реализации та-
кой схемы умножителя в субмм диапазоне возни-
кают специфические трудности, связанные со
значительным уменьшением размеров элементов
прибора.
Для субмм диапазона может оказаться
перспективной более простая схема умножителя в
виде двухкаскадного клинотрона. В этом приборе
одновременно сочетаются функции генератора
умножаемого сигнала, модулятора и отборника
мощности [4]. В клинотроне-умножителе элект-
ронный пучок последовательно проходит над
двумя замедляющими системами типа «гребенка».
В области первой гребенки пучок работает, как в
обычном клинотроне, генерируя сигнал в коротко-
волновой части миллиметрового или в длинно-
волновой части субмм диапазона волн. Часть
электронов пучка, получив модуляцию по скорос-
ти, выходят за пределы первой гребенки и груп-
пируются в компактные сгустки в области второй
гребенки. Эта часть прибора работает в режиме
отборника мощности.
Экспериментальной проверке возможнос-
ти реализации такого умножителя в субмм диапа-
зоне волн посвящена настоящая работа.
1. О преимуществах умножителей час-
тоты. Предполагается, что в умножителях часто-
ты должны быть не такие жесткие требования к
качеству электронных пучков, как в обычных
генераторах субмм диапазона волн. Покажем, чем
это объясняется. Действительно, в генераторах
типа ЛОВ высокочастотная составляющая в токе
пучка в режиме малых амплитуд пропорциональ-
mailto:astis@ire.kharkov.ua
М. В. Мильчо и др. / Клинотрон – умножитель частоты…
_________________________________________________________________________________________________________________
62
на амплитуде высокочастотного поля в замед-
ляющее системе, так как именно это поле вызы-
вает появление высокочастотной составляющей
тока. Мощность генерируемого сигнала пропор-
циональна произведению амплитуд высокочас-
тотного тока и высокочастотного поля, следова-
тельно, пропорциональна квадрату амплитуды
высокочастотного поля. Мощность потерь энер-
гии в системе также пропорциональна квадрату
амплитуды высокочастотного поля. Для возбуж-
дения генератора необходимо, чтобы генерируе-
мая мощность была больше потерь энергии. При
недостаточном токе пучка на входе электронов в
пространство замедляющей системы условия воз-
буждения не выполняются.
В умножителе частоты высокочастотная
составляющая тока в пучке задается модулирую-
щим генератором и почти не зависит от амплиту-
ды высокочастотного поля в замедляющей систе-
ме отборника мощности. Следовательно, в режи-
ме малых амплитуд генерируемая мощность те-
перь пропорциональна амплитуде высокочастот-
ного поля, а не ее квадрату. Мощность потерь
энергии по-прежнему пропорциональна квадрату
амплитуды высокочастотного поля. Очевидно,
что при малых амплитудах квадрат амплитуды
будет намного меньше, чем ее первая степень,
поэтому всегда «найдется» настолько малая амп-
литуда поля, что потери энергии будут меньше,
чем генерируемая мощность. В умножителе нет
понятия пускового тока. При выполнении резо-
нансных условий и достаточно компактных элект-
ронных сгустках выходной сигнал умножителя
будет всегда, хотя и с очень малой амплитудой.
При освоении субмм диапазона волн для
многих применений достаточно выходной мощ-
ности генераторов в единицы милливатт и даже
меньше. Для таких применений могут использо-
ваться умножители частоты.
2. Схема клинотрона-умножителя. На
рис. 1 показана схема клинотрона-умножителя.
Рис. 1. Схема двухкаскадного клинотрона-умножителя. Пока-
заны две последовательно расположенные гребенки и ленточ-
ный электронный пучок
Ленточный электронный пучок проходит
последовательно над двумя замедляющими сис-
темами типа «гребенка». В области первой гре-
бенки пучок работает, как в обычном клинотроне,
и частично рассеивается на поверхности гребен-
ки. Слой электронного пучка, удаленный от по-
верхности гребенки из-за сильно выраженного
поверхностного характера замедленной волны,
находится в более слабом высокочастотном поле,
и электроны этого слоя не успевают сгруппиро-
ваться в плотные сгустки, а только модулируются
по скорости. В работе [5] было теоретически по-
казано, что подбирая режим работы прибора и
угол наклона пучка к поверхности гребенки (с по-
мощью магнитного поля), можно выбрать такие
условия, что часть электронов пучка, не осевшая
на первой гребенке, будет попадать в область
второй гребенки, сгруппированной в компактные
сгустки, что необходимо для эффективной рабо-
ты умножителя. На рис. 2, взятом из работы [5],
показано, что подбирая условия можно получить
компактные сгустки электронов в области второй
гребенки.
Рис 2. Группировка электронов в слое пучка, удаленном от
поверхности гребенки. Сгусток расположен примерно в сред-
ней части второй гребенки
На рис. 2 показано взаимное расположе-
ния электронов, вылетевших за один период
высокочастотного поля при их движении вдоль
обеих гребенок. По вертикальной оси показано
положение электронов в подвижной системе
координат, которая движется со скоростью рабо-
чей пространственной гармоники. Пересечение
траекторий означает формирование компактного
сгустка электронов в этой области пространства.
Результаты расчета модулирующей части
прибора, выполненные в работе [5], мы использо-
вали при изготовлении экспериментального при-
бора.
3. Резонансные условия для отборника
мощности. Принцип работы отборника мощнос-
ти такой же, как и в обычных приборах типа «О»:
торможение электронов электрическим высоко-
частотным полем и передача кинетической энер-
гии электронов электромагнитному полю. В умно-
жителе частоты должны выполняться определенные
условия, которые следует обеспечить при разработ-
ке конструкции прибора. Напомним эти условия.
За каждый период высокочастотного поля
в модуляторе формируется компактный сгусток
электронов, который затем попадает в отборник
мощности. Для неподвижного наблюдателя сгу-
Xn – X0
М. В. Мильчо и др. / Клинотрон – умножитель частоты…
_________________________________________________________________________________________________________________
63
стки пролетают с частотой модулирующего гене-
ратора. Если какой-либо сгусток, пролетая над
щелевым резонатором гребенки в отборнике
мощности, попал в благоприятную (тормозящую)
фазу высокочастотного поля, то для того чтобы
следующие сгустки также попадали в такую же
благоприятную фазу, нужно чтобы частота коле-
баний в резонаторах отборника мощности была
строго кратна частоте следования сгустков. При
умножении частоты сгустки пролетают над резо-
натором отборника мощности не в каждый мо-
мент, когда в щелевом резонаторе тормозящая
фаза, а реже: через один высокочастотный период
при двукратном умножении частоты, через два
периода – при трехкратном умножении и т. д.
Таким образом, первое условие – строгая крат-
ность частоты колебаний в отборнике мощности
частоте колебаний модулятора.
Если какой-либо сгусток попал в благо-
приятную фазу колебаний в щелевом резонаторе
гребенки отборника мощности, то для того чтобы
он попал в такую же фазу в следующем резонато-
ре (и на всех остальных резонаторах также), нуж-
но наложить определенные условия на скорость
движения сгустков. За время прохождения сгуст-
ком геометрического периода гребенки фаза ко-
лебаний в следующем резонаторе должна стать
такой же, какой была в первом резонаторе (отли-
чаться точно на ,2 n где n – целое число). Фазы
колебаний в соседних резонаторах гребенки запи-
сываются таким образом:
t1 , t2 ,
где – фазовый сдвиг волны на период гребенки
для той моды, на которой работает отборник
мощности. Верхний знак берется для прямой
волны (если волна распространяется в том же
направлении, что и сгусток), а нижний – для слу-
чая встречной волны. Время t в выражениях для
фазы колебаний в соседних резонаторах отлича-
ется на время прохождения сгустком периода
гребенки
,
v
St
где S – период гребенки; v – скорость сгустка.
Второе условие резонанса запишем в таком виде:
)(2 ttnt или .
2 n
S
v
Сравним это условие с известным выражением
для n – постоянной распространения n-й про-
странственной гармоники для волны в замед-
ляющей системе:
,
2
S
n
vn
n откуда следует .
2 n
S
vn
Видно, что второе резонансное условие формаль-
но тождественно точному равенству скорости
сгустка скорости любой из пространственных
гармоник замедленной волны, которая распро-
страняется над гребенкой в отборнике мощности.
Важно отметить, что при получении этих
резонансных условий не использовалось понятие
пространственной гармоники. Поэтому эти усло-
вия пригодны и в том случае, если отборник
мощности выполнен не в виде протяженной за-
медляющей системы, а содержит всего несколько
отдельных резонаторов.
4. Разработка замедляющих систем
умножителя. При разработке конструкции при-
бора следует учитывать сформулированные в
предыдущем разделе резонансные условия. Вто-
рая гребенка (отборник мощности) может рассчи-
тываться на работу как в режиме ЛОВ, так и в
режиме лампы бегущей волны.
При проектировании экспериментального
прибора мы ориентировались на наши техноло-
гические возможности, поэтому для гребенки
отборника мощности был выбран неоднократно
нами опробованный режим синхронизма элект-
ронов с –1-й пространственной гармоникой в
субмм диапазоне на длину волны 0,9 мм. При
этом период гребенки будет равен 0,1 мм. Такие
гребенки с шириной щелевых резонаторов
0,05 мм мы могли изготовить электроискровым
методом. Наш опыт показывает, что оптимальный
фазовый сдвиг волны на период гребенки в этом
диапазоне должен быть равен .35,0 Это ре-
жим максимальной мощности [6]. Кратность ум-
ножения частоты выбираем равной 3. При этом
модулирующий клинотрон должен работать в
диапазоне 2,7 мм. Разрабатываемые нами
ранее клинотроны 3-мм диапазона волн легко
обеспечивают выходную мощность в несколько
ватт и работают в режиме максимальной мощнос-
ти при фазовом сдвиге волны на период гре-
бенки 5,0 при синхронизме электронов с
–1-й пространственной гармоникой [6]. Рабочее
напряжение прибора для устойчивой работы
электронной пушки решили выбрать меньшим
4 кВ. Методика расчетов приведена в работе [6].
В результате расчетов были подобраны
такие параметры гребенок. Первая гребенка: пе-
риод нарезки S 0,27 мм, ширина щелевых резо-
наторов 0,135 мм, глубина щелевых резонаторов
0,61 мм. Вторая гребенка: период нарезки 0,1 мм,
ширина щелевых резонаторов 0,055 мм, глубина
щелевых резонаторов 0,17 мм. На рис. 3 показаны
зависимости длины волны от рабочего напряже-
ния при синхронизме электронов с –1-ми про-
странственными гармониками для обеих гребенок.
Для второй гребенки приведена длина
волны, умноженная на 3 (для 3-кратного умноже-
М. В. Мильчо и др. / Клинотрон – умножитель частоты…
_________________________________________________________________________________________________________________
64
ния частоты). Видно, что точка пересечения дис-
персионных кривых, где выполняются оба резо-
нансных условия, определяет рабочее напряже-
ние умножителя в точке U
3,9 кВ.
Рис. 3. Дисперсионные характеристики гребенок модулятора 1
и отборника мощности 2 для –1-х гармоник. Длина волны для
гребенки отборника увеличена в 3 раза
Следует заметить, что приведенные рас-
четы только приближенно определяют реальный
режим. Специфика субмм диапазона такова, что
геометрические параметры реальной гребенки
при изготовлении и даже при измерениях опреде-
ляются с точностью порядка 0,01 мм. Для приме-
ра на рис. 4 показаны те же расчетные кривые, но
для второй гребенки с глубиной щелевых резона-
торов, измененной на 5 мкм (глубина задана рав-
ной 0,165 мм вместо 0,17 мм).
Рис. 4. Дисперсионные характеристики, как и на рис. 3, но
глубина резонаторов субмм гребенки 2 уменьшена на 5 мкм
Видно, что при этом точка пересечения
кривых сместилась сразу на 100 В.
5. Конструкция экспериментального
клинотрона-умножителя. При разработке конст-
рукции прибора мы ставили задачу проверить
саму возможность создания субмм умножителя
частоты, поэтому конструкцию максимально уп-
ростили, используя элементы и детали клинот-
ронов унифицированной конструкции, которые
выпускались Опытным Производством нашего
Института. На рис. 5 схематично показана конст-
рукция экспериментального прибора.
Рис. 5. Конструкция экспериментального прибора (в разрезе).
Периоды обеих гребенок для наглядности сильно увеличены
Она отличается от унифицированной
только тем, что в приборе расположены две гре-
бенки вместо одной и что вывод энергии перене-
сен с «пушечного» конца прибора на «коллектор-
ный» конец – ближе к субмм гребенке.
На рисунке прибор разрезан по плоскости
симметрии. Периоды гребенок для наглядности
сильно увеличены. На самом деле первая гре-
бенка содержит 42 щелевых резонатора с перио-
дом 0,27 мм, а вторая – 24 резонатора с перио-
дом 0,1 мм. Ширина обеих гребенок 3 мм, они
помещены в прямоугольный волновод шири-
ной 7,2 мм.
Слева показана цилиндрическая камера, в
которой должна быть расположена электронная
пушка с электронно-оптической системой. В при-
боре использована диодная пушка с плоскими
электродами, формирующая ленточный пучок
сечением 2,5 0,14 мм. Анодное отверстие пуш-
ки имеет ширину 0,60 мм. Использована асим-
метричная оптика: граница ленточного пучка,
обращенная к поверхностям гребенок, находится
примерно в плоскости симметрии электронно-
оптической системы, тогда как обычно в клинот-
ронах плоскость симметрии электронно-
, мм
2,92
2,90
2,88
2,86
2,84
2,82
3,6 3,8 4,0 4,2 U, кВ
1
2
, мм
2,92
2,90
2,88
2,86
2,84
2,82
3,6 3,8 4,0 4,2 U, кВ
1
2
М. В. Мильчо и др. / Клинотрон – умножитель частоты…
_________________________________________________________________________________________________________________
65
оптической системы совпадает с плоскость сим-
метрии пучка.
Система водяного охлаждения обеих гре-
бенок и «коллекторной» части прибора на рисун-
ке не показана.
Выходной волновод имеет сечение
3,6 1,8 мм. Генерируемый в области первой
гребенки сигнал 3-мм диапазона в режиме умно-
жителя не должен выходить из прибора. Для это-
го к выходному волноводу присоединялся волно-
вод с плавным изменением сечения с 3,6 1,8 мм
до 0,7 0,35 мм. Критическая частота для этого
волновода равна 1,4 мм, и поэтому через выход-
ной волновод мог выходить только сигнал субмм
диапазона. Сигнал 3-мм диапазона отражался от
запредельного волновода, возвращался в прибор
и обеспечивал сильную обратную связь по высоко-
частотному полю в клинотроне 3-мм диапазона.
Небольшая часть мощности 3-мм сигнала прохо-
дила через отверстие для ввода электронного
пучка в камеру для электронной пушки и далее
через вводы накала и высоковольтный ввод вы-
ходила наружу прибора, где принималась через
рупор и детектор для индикации режима 3-мм
клинотрона.
Для упрощения конструкции вывод энер-
гии в отборнике мощности помещен в конце вто-
рой гребенки, а не в ее начале, хотя отборник
мощности работает на обратной волне. Волна, с
которой взаимодействуют сгустки, движется на-
встречу сгусткам, отражается от границы между
двумя гребенками и затем возвращается к выводу
энергии. Конечно, это увеличивает потери энер-
гии и уменьшает выходную мощность.
6. Результаты экспериментального
исследования. Клинотрон 3-мм диапазона начи-
нал генерировать сигнал с анодного напряжения
U 3 050 В при токе I 80 мА. Наблюдалось
несколько зон генерации при напряжении от 3 до
4,5 кВ. Режим максимальной выходной мощности
наблюдался при напряжении U 3 700…3 900 В.
Сигнал субмм диапазона наблюдался только при
напряжении U 3,8 кВ в узкой области по на-
пряжению, шириной примерно 50 В. Длина вол-
ны субмм сигнала, измеренная резонансным вол-
номером (через запредельный волновод), соста-
вила 0,935 мм. Ширина зоны генерации по
частоте равна 365 МГц при токе I 140 мА. Вы-
ходная мощность субмм сигнала по нашим оцен-
кам была порядка 1 мВт. Выходная мощность
была слишком малой для имеющихся у нас изме-
рителей мощности и оценивалась по амплитуде
сигнала на осциллографе с детектора 4-мм диапа-
зона Д-407. Амплитуда сигнала на осциллографе
была равна 10 мВ.
Следует заметить, что детектор Д-407
после измерения 3-мм сигнала с уровнем мощ-
ности в сотни милливатт резко теряет чувстви-
тельность (в десятки раз), поэтому для измерения
слабых сигналов в субмм диапазоне необходимо
использовать новый качественный детектор.
Мощность 3-мм сигнала в рабочей зоне
3,7…3,8 кВ измерялась без запредельного волно-
вода и составила 1,2…1,3 Вт при токе I 140 мА.
С учетом возвращения энергии в прибор при ус-
тановке запредельного волновода можно считать,
что амплитуда высокочастотного поля в области
первой гребенки соответствует выходной мощно-
сти 1,5…2 Вт в обычном режиме.
Длина волны 3-мм сигнала, измеренная
резонансным волномером в области рабочего на-
пряжения 3,8 кВ, была равна 2,83 мм. Крат-
ность частот миллиметрового и субмм сигнала
приближенно выполняется, однако для точных
оценок нужны поверенные волномеры, гаранти-
рующие точность измерений хотя бы до третьего
знака.
Исследовалось поведение прибора при
изменении его положения в фокусирующем маг-
нитном поле. Максимум мощности при измене-
нии угла наклона магнитного поля примерно сов-
падал для 3-мм и субмм сигналов.
В работе [5] при численном исследова-
нии группировки электронов в клинотроне-
умножителе было обнаружено, что сгусток элект-
ронов в режиме максимальной мощности моду-
лирующего клинотрона попадает в область вто-
рой гребенки довольно далеко от ее поверхности
(удален на несколько соток). Для приближения
сгустка к поверхности второй гребенки предлага-
лось использовать неоднородное магнитное поле.
Действительно, эксперимент показал, что при
смещении прибора в электромагните примерно на
9 мм от центра симметрии мощность субмм сиг-
нала возрастала примерно вдвое.
Повышение выходной мощности при
использовании слабой неоднородности фокуси-
рующего магнитного поля известно и использу-
ется при экспериментальных исследованиях [1].
Однако в нашем случае умножителя оптимальное
смещение прибора проводилось в сторону, про-
тивоположную случаю обычного клинотрона, как
и предсказывалось теорией.
При изменении напряженности магнит-
ного поля (в электромагните) для достижения
максимума сигнала было необходимо проводить
подстройку угла наклона фокусирующего маг-
нитного поля к поверхности гребенок. На рис. 6
показана экспериментальная зависимость ампли-
туды субмм сигнала на экране осциллографа от
напряженности магнитного поля.
От 1,0 до 0,5 Тл амплитуда сигнала почти
не менялась, а затем довольно резко уменьша-
лась. При H 0,28 Тл генерация прекращалась в
клинотроне 3-мм диапазона (уменьшался ток с
М. В. Мильчо и др. / Клинотрон – умножитель частоты…
_________________________________________________________________________________________________________________
66
катода, поскольку при таком малом магнитном
поле прибор не тренировался). Можно предполо-
жить, что субмм сигнал будет всегда, если будет
работать модулирующий генератор, хотя и с
уменьшенной амплитудой.
Рис. 6. Зависимость амплитуды субмм сигнала от напряжен-
ности фокусирующего магнитного поля
При H 0,3 Тл амплитуда сигнала на
экране осциллографа равна 2 мВ и была доста-
точна для проведения измерений. Для обычных
клинотронов диапазона 0,95 мм нужно фокуси-
рующее магнитное поле порядка 1,0 Тл.
Выводы. Исследование эксперименталь-
ного клинотрона-умножителя показало реаль-
ность создания таких приборов и перспективу их
продвижения в коротковолновую часть субмм
диапазона волн. Конструкция экспериментально-
го прибора была максимально простой и отлича-
лась от оптимальной, поэтому существует реаль-
ная перспектива для ее усовершенствования.
Прежде всего, следует увеличить длину
гребенки отборника мощности, так как она была
равна всего 2 мм, что явно недостаточно.
Представляется, что более удобно ис-
пользовать отборник мощности в режиме работы
на прямой, а не обратной волне. Это позволит без
дополнительных потерь выводить энергию при
той же простой конструкции вывода энергии. При
работе на обратной волне следует перенести вы-
вод энергии в область границы между двумя гре-
бенками.
Использование режима отборника мощ-
ности при синхронизме электронов с высшими
пространственными гармониками замедленной
волны позволит увеличить период гребенки и
частично решить проблему уменьшения периода
при продвижении к более коротким волнам.
Вследствие необходимости выполнения резо-
нансных условий в клинотроне-умножителе сни-
мается проблема конкуренции видов колебаний,
которая не дает возможности использовать выс-
шие пространственные гармоники в обычном
клинотроне.
Характерная особенность клинотрона-
умножителя – работа только в узком интервале
рабочего напряжения и в очень малом частотном
интервале. Для значительного расширения час-
тотного диапазона можно использовать механиче-
скую перестройку частоты для изменения диспер-
сионной характеристики модулирующей секции.
Эксперимент продемонстрировал реаль-
ное снижение требований к качеству электрон-
ных пучков в умножителях частоты. Напряжен-
ность фокусирующего магнитного поля удалось
снизить в 2–3 раза по сравнению с обычными
значениями для клинотронов этого диапазона
волн.
Библиографический список
1. Клинотрон / Г. Я. Левин, А. И. Бородкин, А. Я. Киричен-
ко и др.; под ред. А. Я. Усикова. – К.: Наук. думка, 1992. –
200 с.
2. Еремка В. Д. Умножители частоты с наклонным элект-
ронным потоком / В. Д. Еремка // Радиофизика и
электрон.: сб. науч. тр. / Ин-т радиофизики и электрон.
НАН Украины. – Х., 2007. – 12, спец. вып. – С. 81–103.
3. Еремка В. Д. Экспериментальное исследование милли-
метрового умножителя частоты с высоким коэффициен-
том умножения / В. Д. Еремка, А. Я. Кириченко // Тр. ИРЭ
АН УССР. – Х., 1970. – 18. – С. 138–148.
4. Milcho M. V. Two-stage oscillators of submillimeter waves /
M. V. Milcho, B. P. Yephimov, V. D. Yeryomka // Proc.
SPIE. – 1994. – 2250. – P. 235–236.
5. Мильчо М. В. Группировка электронов в генераторе типа
«клинотрон». Клинотрон как умножитель частоты /
М. В. Мильчо // Радиофизика и электрон. – 2015. – 6(20),
№ 2. – С. 54–60.
6. Особенности режимов работы генераторов типа «клинот-
рон» / М. В. Мильчо, Б. П. Ефимов, В. В. Завертанный,
В. В. Гончаров // Радиофизика и электрон.: сб. науч. тр. /
Ин-т радиофизики и электрон. НАН Украины. – Х., 2005. –
10, № 3. – С. 435–440.
Рукопись поступила 24.03.2015.
M. V. Milcho, A. S. Tischenko, V. V. Zavertaniy,
I. V. Lopatin, S. N. Teriohin
CLINOTRON AS A FREQUENCY MULTIPLIER
IN THE SUB-MM WAVEBAND ( 0.935 mm)
In comparison to backward wave oscillator (BWO) of
O-type, requirements to the quality of electron beams are weak-
ened 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 oper-
ates 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 modu-
lating generator, a buncher, and a power-catcher. Numeral simula-
tions showed that in the clinotron there exists the effect of “layer-
A, мВ
10
8
6
4
2
0
0,2 0,4 0,6 0,8 Н, Тл
М. В. Мильчо и др. / Клинотрон – умножитель частоты…
_________________________________________________________________________________________________________________
67
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 clino-
tron. Therefore, clinotron can be used as an electron beam
buncher. The aim of the present work was an experimental verifi-
cation of this possibility. In the paper, a simple design of a clino-
tron-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 mag-
netic 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.
Key words: vacuum electron device, clinotron, bunch-
ing, frequency multiplier, experiment.
М. В. Мільчо, А. С. Тищенко, В. В. Завертанний,
І. В. Лопатін, С. М. Терьохін
КЛИНОТРОН – ПОМНОЖУВАЧ ЧАСТОТИ
В СУБМІЛІМЕТРОВОМУ ДІАПАЗОНІ ХВИЛЬ
( 0,93 мм)
У помножувачах частоти значно послаблені вимоги
до якості електронних пучків порівняно з генераторами типу
лампи зворотної хвилі (ЛЗХ типу О). Тому для освоєння суб-
міліметрового діапазону хвиль можуть бути перспективними
помножувачі частоти, хоча їх вихідна потужність звичайно
менша за ЛЗХ. Відомі експериментальні роботи з помножува-
чами частоти у міліметровому діапазоні хвиль. У цих прила-
дах модулятором є резонатор типу клістронного, який жи-
виться зовнішнім потужним генератором сантиметрового
діапазону. Відбірником потужності є система для уповільнен-
ня хвиль типу «гребінка». Ми вважаємо, що для субмілімет-
рового діапазону хвиль можна створити помножувач у вигляді
двокаскадного генератора типу «клинотрон», який одночасно
буде генератором для модуляції, модулятором і відбірником
потуж-ності. Теоретичні числові дослідження показали, що у
клинот-роні 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 в якості модулятора електронного потоку. Мета
цієї роботи – експериментальна перевірка такої можливості;
описано просту конструкцію клинотрона-помножувача й
наведено результати експериментального дослідження роботи
цього приладу. У моделюючій частині клинотрона генерують-
ся коливання з довжиною хвилі 2,8 мм, а у відбірнику
потужності – з довжиною хвилі 0,93 мм. Продемонстрова-
но можливість зменшити у цьому приладі індукцію фокусую-
чого магнітного поля до 0,5…0,3 Тл, тоді як для ЛЗХ цього
діапазону потрібно магнітне поле близько 1,0 Тл.
Ключові слова: електроніка, клинотрон, групуван-
ня, помножувач частоти, експеримент.
|