Тенденции развития клинотронов миллиметрового диапазона длин волн

Представлены результаты разработки и внедрения пакетированных клинотронов непрерывного действия миллиметрового диапазона (частоты 58-300 ГГц). Приведены энергетические и частотные характеристики приборов. Указаны возможности совершенствования приборов и расширения области их применения....

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Date:	2008
Main Authors:	Лысенко, Е.Е., Пишко, О.Ф., Чумак, В.Г., Чурилова, С.А.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України 2008
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/10785
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Тенденции развития клинотронов миллиметрового диапазона длин волн / Е.Е. Лысенко, О.Ф. Пишко, В.Г. Чумак, С.А. Чурилова // Радіофізика та електроніка. — 2008. — Т. 13, спец. випуск. — С. 315-320. — Бібліогр.: 23 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-10785
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-107852025-02-10T00:45:41Z Тенденции развития клинотронов миллиметрового диапазона длин волн Тенденції розвитку клінотронів міліметрового діапазону довжин хвиль Current tendencies in the development of millimeter wavelength clinotrons Лысенко, Е.Е. Пишко, О.Ф. Чумак, В.Г. Чурилова, С.А. Представлены результаты разработки и внедрения пакетированных клинотронов непрерывного действия миллиметрового диапазона (частоты 58-300 ГГц). Приведены энергетические и частотные характеристики приборов. Указаны возможности совершенствования приборов и расширения области их применения. Подано результати розробки та впровадження пакетованих клінотронів безперервної дії міліметрового діапазону довжин хвиль (частоти 58-300 ГГц). Наведені енергетичні та частотні характеристики приладів. Вказані можливості удосконалення приладів та розширення області їх застосування. The paper presents some results of developing and adoption packaged CW clinotrons for the millimeter waveband (frequen-cies between 58 and 300 GHz). Power and frequency characteristics of the instruments are given. Possible ways of improving the performance and extending the area of application are indicated. 2008 Article Тенденции развития клинотронов миллиметрового диапазона длин волн / Е.Е. Лысенко, О.Ф. Пишко, В.Г. Чумак, С.А. Чурилова // Радіофізика та електроніка. — 2008. — Т. 13, спец. випуск. — С. 315-320. — Бібліогр.: 23 назв. — рос. 1028-821X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/10785 53:621.385.6.029.65 ru application/pdf Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
description	Представлены результаты разработки и внедрения пакетированных клинотронов непрерывного действия миллиметрового диапазона (частоты 58-300 ГГц). Приведены энергетические и частотные характеристики приборов. Указаны возможности совершенствования приборов и расширения области их применения.
format	Article
author	Лысенко, Е.Е. Пишко, О.Ф. Чумак, В.Г. Чурилова, С.А.
spellingShingle	Лысенко, Е.Е. Пишко, О.Ф. Чумак, В.Г. Чурилова, С.А. Тенденции развития клинотронов миллиметрового диапазона длин волн
author_facet	Лысенко, Е.Е. Пишко, О.Ф. Чумак, В.Г. Чурилова, С.А.
author_sort	Лысенко, Е.Е.
title	Тенденции развития клинотронов миллиметрового диапазона длин волн
title_short	Тенденции развития клинотронов миллиметрового диапазона длин волн
title_full	Тенденции развития клинотронов миллиметрового диапазона длин волн
title_fullStr	Тенденции развития клинотронов миллиметрового диапазона длин волн
title_full_unstemmed	Тенденции развития клинотронов миллиметрового диапазона длин волн
title_sort	тенденции развития клинотронов миллиметрового диапазона длин волн
publisher	Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
publishDate	2008
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/10785
citation_txt	Тенденции развития клинотронов миллиметрового диапазона длин волн / Е.Е. Лысенко, О.Ф. Пишко, В.Г. Чумак, С.А. Чурилова // Радіофізика та електроніка. — 2008. — Т. 13, спец. випуск. — С. 315-320. — Бібліогр.: 23 назв. — рос.
work_keys_str_mv	AT lysenkoee tendenciirazvitiâklinotronovmillimetrovogodiapazonadlinvoln AT piškoof tendenciirazvitiâklinotronovmillimetrovogodiapazonadlinvoln AT čumakvg tendenciirazvitiâklinotronovmillimetrovogodiapazonadlinvoln AT čurilovasa tendenciirazvitiâklinotronovmillimetrovogodiapazonadlinvoln AT lysenkoee tendencíírozvitkuklínotronívmílímetrovogodíapazonudovžinhvilʹ AT piškoof tendencíírozvitkuklínotronívmílímetrovogodíapazonudovžinhvilʹ AT čumakvg tendencíírozvitkuklínotronívmílímetrovogodíapazonudovžinhvilʹ AT čurilovasa tendencíírozvitkuklínotronívmílímetrovogodíapazonudovžinhvilʹ AT lysenkoee currenttendenciesinthedevelopmentofmillimeterwavelengthclinotrons AT piškoof currenttendenciesinthedevelopmentofmillimeterwavelengthclinotrons AT čumakvg currenttendenciesinthedevelopmentofmillimeterwavelengthclinotrons AT čurilovasa currenttendenciesinthedevelopmentofmillimeterwavelengthclinotrons
first_indexed	2025-12-02T06:41:18Z
last_indexed	2025-12-02T06:41:18Z
_version_	1850377690088996864
fulltext	__________ ISSN 1028-821X Радиофизика и электроника, том 13, спец. вып., 2008, с. 315-320 ИРЭ НАН Украины, 2008 УДК 53:621.385.6.029.65 ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ КЛИНОТРОНОВ МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА ДЛИН ВОЛН Е. Е. Лысенко, О. Ф. Пишко, В. Г. Чумак, С. А. Чурилова Радиоастрономический институт НАН Украины, 4, ул. Краснознаменная, Харьков, 61002, Украина E-mail: pishko@rian.kharkov.ua Представлены результаты разработки и внедрения пакетированных клинотронов непрерывного действия миллиметрово- го диапазона (частоты 58-300 ГГц). Приведены энергетические и частотные характеристики приборов. Указаны возможности со- вершенствования приборов и расширения области их применения. Ил. 6. Библиогр.: 23 назв. Ключевые слова: источник колебаний, миллиметровый диапазон, клинотрон. В середине прошлого века стало очевид- но, что миллиметровый диапазон радиоволн мо- жет найти применение в радиолокации, радиоас- трономии, для организации защищенных каналов связи, в изучении живой и неживой природы и т. д. Для освоения этого диапазона необходимо было создать элементную базу (средства генера- ции, приема, канализации колебаний, измери- тельную технику) и изучить свойства этих волн и особенности их распространения в атмосфере. Перед Институтом радиофизики и элек- троники (ИРЭ) АН УССР, руководимого в те го- ды А. Я. Усиковым, стояла задача комплексного решения этих проблем. В институте были созда- ны подразделения, которые занимались разработ- кой источников колебаний (импульсных и непре- рывных магнетронов, ламп обратной волны (ЛОВ), клистронов), линий передач, измеритель- ной техники и инструментов для изучения свойств миллиметрового диапазона [1]. Эти зада- чи решались весьма успешно, о чем свидетельст- вуют Государственные и другие премии, присуж- даемые руководителям и исполнителям работ. Один из лауреатов Ленинской премии (1960 г.) Григорий Яковлевич Левин – автор источника ко- лебаний миллиметрового диапазона типа ЛОВ – клинотрона [2, 3]. Этот прибор, безынерционно перестраиваемый в широком частотном диапазо- не, позволяет получать выходные мощности, на порядок и более превышающие мощности обыч- ных ЛОВ. Особенности принципа работы клино- трона – необходимость наклона электронного пучка к поверхности замедляющей системы, тре- бовали новых конструкторских и технологиче- ских разработок элементов прибора. В отличие от ЛОВ необходимы были «толстые» и широкие по сравнению с замедленной длиной волны элек- тронные пучки, широкие замедляющие системы, способные рассеивать большие уровни мощно- сти, новые поглощающие нагрузки на коллектор- ном конце замедляющей системы, способные вы- держивать бомбардировку электронами пучка и т. д. Такие разработки были выполнены и уже на первых клинотронах в 8-мм диапазоне были по- лучены мощности более десяти ватт, что сущест- венно превышало мощности обычных ЛОВ [4]. Полученные уровни выходной мощности позво- ляли использовать клинотроны в радиолокации, для целей радиоразведки, в создании измеритель- ной аппаратуры, в исследовании свойств различ- ных материалов, характеристик распространения и затухания миллиметровых волн и т. д. На моделях клинотронов в диапазоне 30- 37,5 ГГц проводились экспериментальные иссле- дования, которые позволили объяснить физику работы клинотронов [4]. Было показано, что в от- сутствии пульсаций электронного пучка необхо- димость наклона пучка к поверхности замедляю- щей системы обусловлена нелинейными эффекта- ми. Наклон позволяет исключить перегруппировку электронов и при оптимальных размерах про- странства взаимодействия полезно использовать все электроны пучка и получить максимальные КПД и выходную мощность. В стартовом режиме минимальный ток наблюдается, когда электроны двигаются параллельно замедляющей системе. При наличии пульсаций в электронном пучке его наклон к поверхности замедляющей сис- темы позволяет улучшить условия взаимодействия пучка с полем по сравнению с параллельным пуч- ком и в рабочем, и в стартовом режимах [4, 5]. В 1960-е гг. были выполнены также тео- ретические исследования, позволившие обосно- вать экспериментально полученные данные. Это работы А. С. Победоносцева и А. С. Тагера, В. С. Андрушкевича и Ю. Г. Гамаюнова, В. Н. Шев- чика и И. А. Манькина, которые были опублико- ваны в специальных изданиях. В настоящее время теоретические исследования продолжаются [6-8]. Следует отметить, что в первых образцах клинотронов по аналогии с ЛОВ использовались длинные замедляющие системы (35 мм), поэтому приборы могли работать только в электромагни- тах, которые обеспечивали в рабочем зазоре маг- mailto:pishko@rian.kharkov.ua Е. Е. Лысенко и др. / Тенденции развития клинотронов… _________________________________________________________________________________________________________________ 316 нитные поля порядка 0,3 Т, необходимые для удержания электронного пучка. Поэтому при дальнейшем развитии клино- тронов одновременно с решением задач по освое- нию новых участков диапазонов, увеличению вы- ходной мощности, улучшению других выходных характеристик приборов большое внимание уделя- лось вопросам улучшения их эксплуатационных характеристик, в частности, уменьшению веса и габаритов, созданию пакетированных конструкций. 1. Клинотроны диапазона 140, 200, 300 ГГц. Одной из первоочередных стояла задача укорочения длины волны. Это во многом было вызвано необходимостью решения актуальной задачи контроля высокотемпературной плазмы в установках термоядерного синтеза. В диапазонах 140 и 200 ГГц для диагностики плазмы разраба- тывались многоканальные интерферометры, тре- бующие источников колебаний повышенной мощности, электрически перестраиваемых в ши- роком диапазоне частот. При разработке клинотронов коротко- волновой части миллиметрового диапазона поль- зовались принципами масштабного моделирова- ния. Геометрия замедляющей системы рассчиты- валась, исходя из необходимой дисперсионной зависимости. Выбираемые ширина и длина сис- темы определялись возможностями формирова- ния электронного пучка нужной формы и плотно- сти, а также необходимым магнитным полем. При расчетах на новые участки миллиметрового диа- пазона оставались постоянными длина простран- ства взаимодействия, ускоряющие напряжения, величина анодного тока, отношение толщины пучка к длине волны. Эти разработки потребовали новых ре- шений целого ряда конструкторских и техноло- гических задач. Была предложена и реализована технология изготовления мелкоструктурных за- медляющих систем с использованием резака, обеспечивающая необходимую точность изготов- ления и чистоту поверхности [4]. Значительное внимание было уделено электронно-оптической системе. С укорочением длины волны высокочастотное поле замедляю- щей системы сосредотачивается все в более тон- ком слое у ее поверхности, поэтому для эффек- тивного взаимодействия электронного пучка с полем замедляющей системы необходимо фор- мировать широкие и тонкие (0,1-0,2 мм) элек- тронные потоки с малыми пульсациями границы пучка и большими плотностями тока. Использо- вание клинотронного эффекта (наклона пучка к поверхности замедляющей системы) частично снижает требования к электронным пучкам, но все же они остаются довольно жесткими. В раз- рабатываемых клинотронах в качестве электрон- но-оптической системы использовалась диодная пушка с увеличенным асимметричным анодным отверстием [4, 9]. Такая пушка формирует лен- точный поток с уменьшенной амплитудой пуль- саций его границы, что повышает эффективность взаимодействия электронов с высокочастотным полем замедляющей системы и позволяет умень- шить значения требуемых фокусирующих маг- нитных полей. Эмиттером служит вольфрамовый пропитанный катод специальной формы с разме- рами (0,1-0,2) 2,5 мм 2 , обеспечивающий плот- ность тока пучка до 80 А/см 2 [4, 10]. В дальней- шем было предложено еще несколько техниче- ских решений, позволивших уменьшить потреб- ляемую катодно-подогревательным узлом мощ- ность, увеличить плотность тока до 100 А/см 2 при уменьшенной эмитирующей поверхности катода, улучшить качество пучка за счет снижения влия- ния ионной бомбардировки катода [11]. Это по- зволило расширить полосу генерации, увеличить выходную мощность приборов, повысить их на- дежность и срок службы. Как указывалось выше, необходимо было создать приборы, которые могли бы при высоких выходных характеристиках работать в постоян- ных магнитах малого веса и габаритов. С этой целью были проведены исследования, позволив- шие выбрать размеры пространства взаимодейст- вия с длиной замедляющей системы, обеспечи- вающей общую длину прибора не более 29 мм. Такая длина прибора позволила создать пакети- рованную конструкцию клинотрона на основе постоянного магнита из сплава альнико весом 14 кг, обеспечивающего в зазоре 32 мм магнитное поле 0,32-0,36 Т. В пакетированных клинотронах использовались замедляющие системы без по- глощающей нагрузки на коллекторном конце, однако это не мешало в коротковолновой части миллиметрового диапазона получать полосу пе- рестройки приборов без разрывов порядка 15 %. Такие приборы были освоены Опытным произ- водством, созданном при ИРЭ в 1960 г., выпуска- лись мелкими сериями и поставлялись по требо- ванию заказчиков. Мощность приборов диапазо- на 140 ГГц в таких магнитных системах состав- ляла 0,1-1 Вт [3, 4]. Появление магнитных материалов с большой коэрцитивной силой, одним из которых является сплав самария с кобальтом, дало воз- можность значительно улучшить эксплуатацион- ные характеристики пакетированных приборов: уменьшить вес и габариты клинотронов мм диа- пазона, создать пакетированные конструкции клинотронов субмиллимитрового (субмм) диапа- зона. В СКТБ ИРЭ АН УССР были созданы маг- нитные фокусирующие системы с напряженно- стью магнитного поля в зазоре 31 мм 0,42 Т весом 1 кг. Системы с таким весом и габаритами по эф- Е. Е. Лысенко и др. / Тенденции развития клинотронов… _________________________________________________________________________________________________________________ 317 фективности не имели аналогов. При их создании применен метод синтеза, который позволяет по- лучить для заданного поля и типа зазора макси- мально эффективную конструкцию магнитной фокусирующей системы [12]. Специфика конст- рукции самарий-кобальтовых магнитных систем позволила предложить новый способ юстировки клинотронов, который обеспечивает большую надежность крепления прибора, дает некоторый выигрыш в величине магнитного зазора [13]. При литой конструкции магнитной сис- темы из альнико юстировка клинотронов в маг- нитном поле по максимуму генерируемой мощ- ности осуществлялась с помощью специальных устройств, имеющих необходимое число степе- ней свободы. Самарий-кобальтовая магнитная система конструктивно представляет собой две шайбы – магнитные полюса, установленные в обойму, которая может быть изготовлена из не- магнитного материала. В обойме магнитной сис- темы прибор крепится неподвижно. Наклон пуч- ка к поверхности замедляющей системы осуще- ствляется вращением магнитных полюсов, рас- положенных эксцентрично по отношению друг к другу, вокруг продольной оси зазора [13]. В та- ких магнитных системах работают клинотроны миллиметрового диапазона длин волн до часто- ты 150 ГГц, обеспечивая мощности в несколько ватт. Для клинотронов более коротковолновых диапазонов используются самарий-кобальтовые магниты большей массы и габаритов. Для при- мера приведем рабочие характеристики образ- цов приборов коротковолновой части миллимет- рового диапазона. На рис. 1 показана зависимость выходной мощности от частоты клинотрона диапазона 140 ГГц, пакетированного в самарий-кобальтовой магнитной системе весом 1 кг. Максимальная мощность Рout ~ 3,25 Вт была получена при анод- ном напряжении 3,8 кВ и анодном токе 115 мА, полоса перестройки ~ 9 % без разрывов диспер- сионной характеристики. На рис. 2 и 3 приведены аналогичные зависимости для клинотронов диа- пазонов 200 и 270 ГГц соответственно, пакетиро- ванных в неоптимизированные самарий- кобальтовые магнитные системы весом 6 кг и напряженностью магнитного поля в зазоре 31 мм порядка 0,85 Т. Клинотрон в рабочем диапазоне f ~ 180-215 ГГц обеспечивал полосу перестройки ~ 18 % без разрывов дисперсионной характери- стики и имел максимальную выходную мощность Рout ~ 690 мВт при напряжении 2,6 кВ и токе 110 мА (рис. 2), в рабочем диапазоне f ~ 255,1- 285,2 ГГц максимальная выходная мощность со- ставляла Рout ~ 350 мВт при напряжении 4,3 кВ и токе 220 мА (рис. 3). Рис. 1. Зависимость выходной мощности от частоты клино- трона диапазона 140 ГГц. Интервал изменения анодного на- пряжения от 3,0 до 4,8 кВ, анодного тока от 100 до 130 мА Рис. 2 Зависимость выходной мощности от частоты клинотро- на диапазона 200 ГГц. Интервал изменения анодного напря- жения от 2,2 до 3,8 кВ, анодного тока от 80 до 130 мА Рис. 3. Зависимость выходной мощности от частоты клино- трона диапазона 270 ГГц. Интервал изменения анодного на- пряжения от 3,3 до 4,4 кВ, анодного тока от 190 до 240 мА Клинотроны коротковолновой части мм диапазона использовались не только в системах для диагностики плазмы, но и спектроскопии, для накачки в квантовых парамагнитных усилителей [14], для создания линий передач и измеритель- ной аппаратуры [15], а также изготавливались по заказам различных организаций для выполнения специальных работ. Е. Е. Лысенко и др. / Тенденции развития клинотронов… _________________________________________________________________________________________________________________ 318 Одновременно с этими работами изуча- лась возможность создания новой модификации клинотрона с более высокими выходными харак- теристиками. Для повышения эффективности вывода электромагнитной энергии был предло- жен и осуществлен распределенный квазиоптиче- ский вывод энергии. Прибор, получивший назва- ние клинотрона с распределенным квазиоптиче- ским выводом энергии [4], впервые был разрабо- тан в ИРЭ и не имеет аналогов. В качестве замедляющей системы в этом приборе была применена открытая многоступен- чатая гребенка, важнейшим свойством которой является наличие в спектре собственных волн быстрых пространственных гармоник, отрываю- щихся от поверхности системы. Эта особенность лежит в основе принципа работы генератора, ко- торый заключается в том, что при возбуждении открытой многоступенчатой замедляющей систе- мы электронным пучком над ней в свободном пространстве формируется диаграмма направлен- ности излучения, характеристики которой обу- словлены размерами и геометрией системы, что позволяет осуществить вывод энергии. Направ- ление излучения главного лепестка и вид диа- граммы направленности меняется по диапазону перестройки [16]. Для целей согласования генера- тора с линией передачи и учитывая особенности его конструкции, выбор геометрии многоступен- чатой замедляющей системы и режимов работы прибора необходимо осуществлять таким обра- зом, чтобы максимум мощности генерации и формирование однолепестковой диаграммы на- правленности по нормали к поверхности замед- ляющей системы наблюдались при одном и том же режиме. На образцах клинотронов с распреде- ленным квазиоптическим выводом энергии в диапазоне 140 ГГц была получена выходная мощность около 5 Вт, что превышает значения выходной мощности, полученные при тех же ус- ловиях на клинотронах с волноводным выводом энергии [17]. Совмещение в одном приборе гене- ратора и антенны позволяет существенно расши- рить область его возможных применений. 2. Клинотроны диапазона 90 ГГц. По- становка вопроса об освоении диапазона 90 ГГц клинотронами связана с работами по электроди- намическому моделированию. Клинотроны этого диапазона использовались в комплексах для ис- следования радиолокационных характеристик различных объектов на их моделях. Для выпол- нения этих исследований требовалось создать клинотрон с уровнем выходной мощности не ме- нее 1,5 Вт в пакетированном исполнении. Измерительные комплексы могли рабо- тать в нестационарных условиях, поэтому опре- деленные сложности вызывало охлаждение при- боров проточной водой. Выпускаемые промыш- ленностью автономные агрегаты с замкнутым контуром однофазного жидкого теплоносителя имели большой вес (40 кг) и недостаточную мощность теплорассеяния (350 Вт). Необходимая система охлаждения была создана совместно с Институтом проблем материаловедения НАН Украины на основе низкотемпературной тепло- вой трубы [18], общий вес прибора с системой охлаждения составлял 5,6 кг. Такая система ох- лаждения не требует специальных мер и при экс- плуатации в условиях отрицательных температур, поскольку тепловая труба допускает режим за- пуска из «замороженного» состояния. Выходные характеристики приборов, использующих авто- номную систему охлаждения на основе тепловой трубы, были на уровне характеристик клинотро- нов с принудительным водяным охлаждением. Такая разработка была выполнена впервые, ранее тепловые трубы не применялись в системах ох- лаждения клинотронов, и в литературе не име- лось сведений по их применению в системах ох- лаждения приборов этого класса (ЛОВ, карсино- трон). Характеристика одного из приборов при- ведена на рис. 4, где в зависимости от частоты показано изменение выходной мощности. Рис. 4. Зависимость выходной мощности от частоты клино- трона диапазона 94 ГГц с системой охлаждения на основе тепловой трубы. Интервал изменения анодного напряжения от 3,0 до 4,0 кВ, анодного тока от 100 до 150 мА Максимальная выходная мощность Рout ~ 8 Вт была получена при анодном напря- жении 3,8 кВ и анодном токе 140 мА. Аналогич- ная характеристика прибора с водяным охлаж- дением этого диапазона представлена на рис. 5, максимальная выходная мощность Рout ~ 6 Вт была получена при анодном напряжении 3,45 кВ и анодном токе 130 мА. Полоса перестройки приборов 10-15 %. Оба прибора работали в маг- нитной фокусирующей системе весом 1 кг с на- пряженностью магнитного поля 0,42 Т. 3. Клинотроны диапазона 60 ГГц. Описанные выше клинотроны использовались в различных радиолокационных системах (напри- мер, в скаттерометрах [19]), так как частоты 94, 140 и 220 ГГц находятся в «окнах прозрачности» атмосферы. Е. Е. Лысенко и др. / Тенденции развития клинотронов… _________________________________________________________________________________________________________________ 319 Рис. 5. Зависимость выходной мощности от частоты клино- трона диапазона 94 ГГц с водяным охлаждением. Интервал изменения анодного напряжения от 2,5 до 4,5 кВ, анодного тока от 100 до 150 мА Однако в последнее время значительный интерес стал проявляться к диапазону 60 ГГц, хотя эта частота находится в полосе интенсивно- го поглощения, обусловленного наличием кисло- рода в атмосфере. Судя по литературе [20], часто- та 60 ГГц оказалась интересной, в частности, с точки зрения создания помехозащищенной и конфиденциальной системы связи на близкие расстояния, а также беспроводной передачи дан- ных с большой скоростью и высокой пропускной способностью каналов связи. Кроме того, извест- но, что электромагнитные волны миллиметрового диапазона применяются в медицине для микро- волновой резонансной терапии (МРТ). В лечеб- ных целях наиболее часто используются частоты 42,2 ГГц ( = 7,1 мм), 53,6 ГГц ( = 5,6 мм) и 61,5 ГГц ( = 4,9 мм) [21]. Созданию образцов клинотронов указан- ного диапазона предшествовал большой объем теоретических и экспериментальных исследова- ний. Цель этих исследований – выбор оптималь- ных размеров пространства взаимодействия [8] и выяснение возможности получения широкой по- лосы перестройки без разрывов дисперсионной характеристики. В диапазонах 90-300 ГГц разры- вов не наблюдалось в полосе 10-15 %, а дисперси- онная кривая клинотронов диапазона 37 ГГц имела разрывы. Разрывы в дисперсионной характеристи- ке связаны с тем, что замедляющие системы в па- кетированных приборах имеют малую длину и не имеют нагрузки на коллекторном конце. При больших коэффициентах отражения может наблю- даться срыв генерации, который нельзя устранить улучшением условий взаимодействия пучка с электромагнитным полем замедляющей системы (увеличением плотности тока, напряженности магнитного поля и т. д.). Экспериментально было установлено, что для получения непрерывной по- лосы генерации необходимо обеспечить в выход- ном волноводе КСВН 3 [22]. Была поставлена задача создания клинотрона, имеющего непрерыв- ную полосу перестройки в диапазоне 58-65 ГГц с минимальной мощностью 1 Вт [23]. В результате проведенных исследова- ний и разработок создан клинотрон в диапазоне 57,5-65,5 ГГц, который имеет полосу без разры- вов около 13 % и обеспечивает максимальную мощность более 20 Вт и минимальную не менее 1 Вт. На рис. 6 приведена зависимость выходной мощности от частоты для этого прибора. Макси- мальная мощность Рout ~ 22 Вт была получена при анодном напряжении 4,5 кВ и анодном токе 200 мА. Прибор работает в оптимизированной самарий-кобальтовой магнитной фокусирующей системе с напряженностью магнитного поля Н = 0,42 Т весом 1 кг. Рис. 6. Зависимость выходной мощности от частоты клино- трона диапазона 60 ГГц. Интервал изменения анодного на- пряжения от 2,8 до 4,5 кВ и анодного тока от 170 до 200 мА В настоящее время нами разрабатывается клинотрон диапазона 54-64 ГГц с целью приме- нения в медицине для фирмы AccelBeam Devices, LLC («AccelBeam»), USA. Выводы. Развитие клинотронов во мно- гом определялось возможностями техники и тех- нологии времени и конкретными задачами, кото- рые решались в различных областях науки и тех- ники в данный момент. Клинотрон являлся един- ственным прибором, который при широкой поло- се и безынерционной перестройке обеспечивал такие высокие уровни мощности. Эти характери- стики прибора остаются уникальными и до на- стоящего времени. Широкое применение клино- тронов в стационарных и нестационарных усло- виях вызвало необходимость улучшать их экс- плуатационные характеристики. Прибор, ранее работавший в электромагните весом в сотни ки- лограммов, стал пакетированным прибором ве- сом порядка 1 кг. В настоящее время проводятся работы по созданию малогабаритного блока пи- тания клинотрона с необходимыми параметрами, что позволит такому генератору быть вполне конкурентноспособным на мировом уровне. Нами приведены характеристики приборов некоторых участков мм диапазона. В действитель- ности же клинотроны изготавливались во всем мил- лиметровом диапазоне для обеспечения самых раз- Е. Е. Лысенко и др. / Тенденции развития клинотронов… _________________________________________________________________________________________________________________ 320 личных работ и исследований. Например, клино- трон диапазона 300 ГГц используется для диэлек- трометрии материалов с малыми потерями в радио- спектроскопе «Буран», который имеет статус на- ционального достояния Украины. Наши разработки использовались в Институте атомной энергии, Рос- сия; Elva-1 Millimmeter Wave Division.St.Petersburg, Russia [23]; Techniche Universitat Hamburg-Harburg, Germany; Dartmouth College, Hanover, USA. В на- стоящее время в возможности приобретения клино- тронов заинтересованы, в частности, такие органи- зации как: в диапазоне 94 ГГц – TUBITAK-MRC, Турция; в диапазоне 60 ГГц – AccelBeam Devices, LLC («AccelBeam»), USA. Начиная с 1960-х гг., в ИРЭ также прово- дились исследования по созданию клинотронов субмиллиметрового диапазона длин волн для диаг- ностики плазмы, что дало возможность разработать приборы на частоты до 545 ГГц. Такие клинотроны в настоящее время работают в оптимизированных магнитных фокусирующих системах весом 11 кг и обеспечивают мощности порядка 100 мВт [4, 17]. Возможности разработок и поставок кли- нотронов в нужных участках диапазонов имеются и в настоящее время. 1. Электроника и радиофизика миллиметровых и субмилли- метровых радиоволн / Под ред. А. Я Усикова. – Киев: На- ук. думка, 1986. – 366 с. 2. А.с. 341113 СССР, МКИ. Лампа обратной волны / Г. Я. Ле- вин // Открытия. Изобретения. – 1972. – № 25. – С. 201. 3. Кириченко А. Я., Яковенко В. М. Клинотрону – 50 // Радио- физика и электроника. – Харьков: Ин-т радиофизики и электрон. НАН Украины. – 2007. – 12, спец. вып. – С. 5-13. 4. Клинотрон / Под ред. А. Я. Усикова. – Киев: Наук. думка, 1992. – 200 с. 5. Кириченко А. Я. Влияние пульсаций границы электронно- го потока на пусковые характеристики ЛОВ // Тр. ИРЭ АН УССР. – 1964. – 12. – С. 162-173. 6. Одаренко Е. Н., Шматько А. А. Самовозбуждение колебаний в резонансных генераторах О-типа с длительным взаимодей- ствием при наклонном магнитостатическом поле // Радиотех- ника и электроника. – 1992. – 37, № 2. – С. 303-310. 7. Ваврив Д. М. Теория клинотрона // Радиофизика и элек- троника. – Харьков: Ин-т радиофизики и электрон. НАН Украины. – 2007. – 12, спец. вып. – С. 35-47. 8. Пишко О. Ф., Чурилова С. А. Моделирование пространства взаимодействия в клинотронах миллиметровых и субмилли- метровых длин волн // Успехи совр. радиоэлектрон. Зару- бежн. радиоэлектрон. – 2004. – Вып. 1. – С. 10-19. 9. Бородкин А. И., Вигдорчик В. И., Чурилова С. А. Исследо- вание формирования электронного пучка диодной пушкой в продольном магнитном поле // Электрон. техника. Сер. 1. Электрон. СВЧ. – 1968. – № 11. – С. 41-50. 10. А.с. 1542318 СССР, МКИ. Диодная электронная пушка для формирования тонких ленточных электронных пото- ков / А. И. Бородкин, Л. А. Кириченко, И. А. Княженко и др. // Открытия. Изобретения. – 1991. – № 6. – С. 197. 11. Чумак В. Г., Чурилова С. А. Электронная пушка для кли- нотронов миллиметрового и субмиллиметрового диапазо- нов // Радиофизика и радиоастрономия. – 2002. – 7, № 2. – С. 175-179. 12. Капитонов В. Е. Оптимизация магнитных фокусирующих систем методом синтеза // Электроника миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов. – Харьков: Ин-т радио- физики и электрон. НАН Украины. – Киев: Наук. думка, 1988. – С. 172-178. 13. А.с. 1542318 СССР, МКИ Электровакуумный СВЧ прибор О-типа / Е. Е. Лысенко, В. В. Смородин // Открытия. Изо- бретения. – 1990. – № 5. – С. 213. 14. Лысенко Е. Е., Пишко О. Ф., Чурилова С. А. Источники накачки квантовых парамагнитных усилителей милли- метрового диапазона диапазона // ХVII Всесоюзн. конф. «Радиоастрономическая аппаратура» (Ереван 1985 г.): Тез. докл. – Ереван, 1985. – Т. 1. – С. 10-11. 15. Отчет по НИР «Олива» / Рук. Е. М. Кулешов. – Харьков: Ин-т радиофизики и электроники АН УССР. – 1971. – С. 16. Лысенко Е. Е., Пишко О. Ф., Чурилова С. А. Эксперимен- тальные исследования клинотрона с распределенным ква- зиоптическим выводом энергии // Радиофизика и радиоас- трономия. – 1999. – 4, № 1. – С. 13-19. 17. Лысенко Е. Е., Пишко О. Ф., Чумак В. Г., Чурилова С. А. Состояние разработок клинотронов непрерывного дейст- вия // Успехи совр. радиоэлектрон. Зарубежн. радиоэлек- трон. – 2004. – Вып. 8. – С. 3-12. 18. Гурбич Н. Л., Лысенко Е. Е., Мороз А. Л. и др. Система охлаждения клинотрона на тепловой трубе // Электрон. техн. Сер. 1. Электрон. СВЧ. – 1992. – 2(446). – С. 3-5. 19. Лысенко Е. Е., Руженцев Н. В., Пишко О. Ф., Чурило- ва С. А. Клинотронный генератор для скаттерометра 3-мм диапазона // I Всесоюзн. науч.-техн. симпозиум «Дистан- ционное зондирование земных покровов радиометодами»: Тез. докл. – М.: Радио и связь. – 1985. – С. 34. 20. www.telecomskorea.com\ 21. Девятков Н. Д., Голант М. Б., Бецкий О. В. Миллиметро- вые волны и их роль в процессах жизнедеятельности. – М.: Радио и связь, 1991. – 168 с. 22. Лысенко Е. Е., Пишко О. Ф., Чумак В. Г., Чурилова С. А. Добротность резонансной линии клинотронов миллимет- рового диапазона // Радиофизика и радиоастрономия. – 2001. – 6, № 4. – С. 317-322. 23. www.elva-1.com/pdf/clinotron_user_manual_ver CURRENT TENDENCIES IN THE DEVELOPMENT OF MILLIMETER WAVELENGTH CLINOTRONS E. E. Lysenko, O. F Pishko, V. G. Chumak, S. A. Churilova The paper presents some results of developing and adop- tion packaged CW clinotrons for the millimeter waveband (frequen- cies between 58 and 300 GHz). Power and frequency characteristics of the instruments are given. Possible ways of improving the perfor- mance and extending the area of application are indicated. Key words: source of oscillations; millimeter wave- lengths; clinotron. ТЕНДЕНЦІЇ РОЗВИТКУ КЛІНОТРОНІВ МІЛІМЕТРОВОГО ДІАПАЗОНУ ДОВЖИН ХВИЛЬ Є. Є. Лисенко, О. Ф. Пішко, В. Г. Чумак, С. А. Чурилова Подано результати розробки та впровадження паке- тованих клінотронів безперервної дії міліметрового діапазону довжин хвиль (частоти 58-300 ГГц). Наведені енергетичні та частотні характеристики приладів. Вказані можливості удоско- налення приладів та розширення області їх застосування. Ключові слова: джерело коливань, міліметровий діа- пазон, клінотрон. Рукопись поступила 11 июня 2008 г. http://www.telecomskorea.com/ http://www.elva-1.com/pdf/clinotron_user_manual_ver

Тенденции развития клинотронов миллиметрового диапазона длин волн

Institution

Similar Items