МИЛЛИМЕТРОВЫЙ И ТЕРАГЕРЦОВЫЙ ДИАПАЗОНЫ: ОБЗОР КЛЮЧЕВЫХ ДОСТИЖЕНИЙ ЭОС В ЛБВ НА ОСНОВЕ ПЕТЛЯЮЩЕГО ВОЛНОВОДА

MILLIMETER-WAVE AND TERAHERTZ BANDS: A REVIEW OF KEY ACHIEVEMENTS IN ELECTRON-OPTICAL SYSTEMS FOR FOLDED-WAVEGUIDE TWTS

Efimov Evgeny Alekseevich

Student, Department of Electronic Devices and Systems Yuri Gagarin Saratov State Technical University

Russia, Saratov

АННОТАЦИЯ

В статье представлен анализ современного состояния электронно-оптических систем (ЭОС) для ламп бегущей волны (ЛБВ) с замедляющей структурой типа «петляющий волновод» (ПВ), предназначенных для работы в миллиметровом и терагерцовом частотных диапазонах. Рассмотрены ключевые технологические вызовы, связанные с формированием и фокусировкой электронных пучков высокой плотности тока. Описаны современные решения, включая использование ленточных и многолучевых пучков, периодических магнитных фокусирующих систем, а также применение компьютерного моделирования для оптимизации конструкции ЭОС.

ABSTRACT

The paper presents an analysis of the current state of electron-optical systems (EOS) for traveling-wave tubes (TWTs) with a folded-waveguide (FWG) slow-wave structure (SWS) designed for operation in the millimeter-wave and terahertz frequency ranges. Key technological challenges associated with the formation and focusing of high-current-density electron beams are examined. Modern solutions are described, including the use of sheet and multi-beam electron beams, periodic permanent magnet (PPM) focusing systems, and the application of computer simulation for optimizing EOS designs.

Ключевые слова: Электронно-оптическая система, петляющий волновод, лампа бегущей волны, замедляющая система, магнитная периодическая система.

Keywords: Electron-optical system, looped waveguide, traveling wave tube, deceleration system, magnetic periodic system.

Введение

Сегодня ЛБВ обеспечивают широкую полосу пропускания, высокую выходную мощность, устойчивость к внешним воздействиям и находят применение в телекоммуникациях (5G/6G, спутниковая связь), оборонной промышленности, медицинской диагностике, системах безопасности и космических аппаратах. Однако современные тенденции развития вакуумной электроники ставят перед инженерами задачу создания высокоэффективных и компактных усилителей, таких как ЛБВ, функционирующих в миллиметровом и терагерцовом диапазонах частот.

В то время как твердотельная электроника стагнирует в ТГц-диапазоне из-за ограничения по мощности, вакуумная электроника сталкивается с фундаментальными физическими барьерами при масштабировании замедляющих систем (ЗС). Ключевым узлом, определяющим предельные возможности прибора, становится ЭОС, играющая ключевую роль в разработке современных вакуумных усилителей. Эффективность работы таких приборов напрямую зависит от способности формировать и фокусировать электронные пучки с высокой плотностью тока в микроскопических пролетных каналах ЗС. Успешным примером является разработка ЗС типа ПВ для ЛБВ, показав коэффициент усиления свыше 30 дБ в диапазоне 94–110 ГГц и выходную мощность в режиме насыщения свыше 100 Вт в диапазоне 94–101,8  ГГц [1]. В работе [2] используется периодическая ЭОС с фокусировкой на постоянных магнитах. Устройство обеспечивает максимальную выходную мощность 11,9 Вт и коэффициент усиления 25,5 дБ в диапазоне частот 258-264 ГГц. В нашей стране ЛБВ W-диапазона с мощностью до 50 Вт разрабатываются в АО «НПП «Салют» (г. Нижний Новгород) [3].

Рисунок 1. 3D-модель ЗС типа петляющий волновод [1]

Несмотря на огромный потенциал, миллиметровый и терагерцовый диапазоны остаются наименее освоенными из-за технологических трудностей создания мощных источников излучения. Традиционные вакуумные приборы дециметрового и сантиметрового диапазонов неэффективны из-за малых размеров ЗС, а твердотельные источники имеют низкую мощность. Оптимальным решением данной проблемы является применение вакуумных приборов с ЗС типа ПВ. Они обладают уникальной способностью обеспечивать эффективное взаимодействие электронного пучка с электромагнитной волной. ПВ-структуры сочетают в себе широкую полосу пропускания, высокую выходную мощность, компактность и технологичность изготовления, что крайне важно для их серийного производства. В связи с этим разработка ЭОС, адаптированных под ЗС типа ПВ, остается актуальной задачей вакуумной электроники, открывающей новые возможности для развития информационно-коммуникационных, оборонных, медицинских и космических технологий.

Цель статьи — проанализировать достигнутые результаты за последние 10 лет в разработке ЭОС для ЛБВ с замедляющей системой типа «петляющий волновод» в миллиметровом и терагерцовом диапазонах.

1. Ключевые достижения ЭОС в ЛБВ

На частотах, превышающих 0,3 ТГц, ведётся активная исследовательская работа по созданию ЛБВ на основе ПВ [4-6]. В этом диапазоне уже реализован ряд устройств: так, ЛБВ на 0,32 ТГц обеспечивает выходную мощность 134 мВт при коэффициенте усиления 19,6 дБ [7]; а прибор на 1,03 ТГц демонстрирует мощность 29 мВт [8]. Эти достижения подтверждают перспективность направления, однако уровень выходной мощности подобных ЛБВ пока остаётся в пределах десятков и сотен милливатт. В то же время в более низком, миллиметровом диапазоне длин волн известна конструкция, способная генерировать импульсную выходную мощность свыше 100 Вт [9]. Столь высокие параметры обусловлены тем, что ПВ-структуры позволяют эффективно организовать взаимодействие электронного пучка с электромагнитной волной, что особенно актуально для миллиметрового и терагерцового диапазонов.

Увеличение выходной мощности ЛБВ с периодическими волноводами ограничено использованием цилиндрических электронных пучков малого диаметра и высокой плотностью тока (около 500 А/см²). Перспективным решением является применение ленточных пучков с большим поперечным сечением, что позволяет повысить ток при сохранении плотности тока, достижимой для современных катодов. Особенно это актуально для терагерцового и миллиметрового диапазона, где требуются пучки с экстремально высокой плотностью тока. В связи с этим интерес представляют ЛБВ с компрессионными электронно-оптическими системами, формирующими ленточные или многолучевые пучки, что способствует росту эффективности и выходной мощности.

Рисунок 2. Модель лампы бегущей волны с замедляющей системой типа петляющий волновод [10]

Так как плотность тока, отбираемого с катода, имеет принципиальные ограничения, возникает необходимость разработки ЭОС с высокой степенью компрессии электронного пучка. Для ленточных пучков реализация такой компрессии представляет собой сложную техническую задачу. В научной литературе описаны различные подходы к созданию ЭОС, обеспечивающие коэффициент компрессии по площади на уровне 10–15 [11-13].

Например, в конструкции ЛБВ [14] используется электронная пушка с термоэлектронным катодом, работающая при напряжении 20 кВ и токе 140 мА, что обеспечивает формирование пучка с круглым сечением. В основе пушки лежит магнитно-экранированный катод М-типа. Пучок фокусируется по методу Бриллюэна и направляется вдоль замедляющей системы с помощью постоянного соленоидального магнитного поля индукцией 6,6 кГс. Управление формированием электронного пучка осуществляется с помощью фокусирующего электрода (ФЭ) и модулирующего анода (МА), что позволяет плавно изменять ток катода в диапазоне от 125 до 150 мА, минимизируя при этом перехват тока стенками прибора.

Так, в исследовании [15] была предложена ЭОС, формирующая электронный поток, состоящий из трёх отдельных лучей эллиптической конфигурации. Каждый луч обеспечивал ток порядка 30 мА, при общем токе около 90  мА. Впоследствии эксперименты подтвердили возможность масштабирования параметров: ток отдельного луча удалось увеличить до 70 мА, доведя совокупный ток до 210 мА посредством повышения температуры катода [16].

В [17, 18] разработана ЭОС, формирующая пучок толщиной порядка 100 мкм с высокоаспектным соотношением сторон 12,5:1, что позволило получить ток до 250 мА. Однако плотность тока в канале ЗС была также чрезвычайно велика – 438 А/см2. Фокусировка такого пучка представляет серьезную проблему. Поэтому для транспортировки интенсивного ленточного пучка на расстояния порядка нескольких сантиметров требуются высокие значения фокусирующего магнитного поля. Соответственно, размеры и масса магнитной системы будут весьма велики.

Фокусировка электронного пучка с помощью магнитных периодических фокусирующих систем (МПФС)

Разработка периодических систем фокусировки ленточных пучков представляет собой сложную инженерную задачу. Лишь в последнее время удалось реализовать ЛБВ с ленточным пучком и периодическим магнитным полем в диапазоне 0,2 ТГц [19]. В этом приборе была достигнута выходная мощность 115 Вт на частоте 212,4 ГГц при коэффициенте усиления в режиме малого сигнала не выше 15 дБ. Масса устройства составила 1,8 кг, что является весьма значимым достижением, несмотря на то, что вопросы фокусировки пучка были решены не полностью (токопрохождение на коллектор — 81,5%). Из-за относительно низкого коэффициента усиления для получения высокой мощности использовался каскад из двух усилителей: сигнал предварительно усиливался до 30 Вт с помощью ЛБВ на петляющем волноводе. Тем не менее, можно ожидать существенного прогресса в развитии подобных приборов в ближайшем будущем.

В настоящее время ведутся работы по созданию ЛБВ для ещё более высокочастотных диапазонов. В частности, уже разработаны замедляющая и электронно-оптическая системы для уникальной ЛБВ диапазона 1 ТГц [20, 21]. ЭОС формирует ленточный пучок с током 15,5 мА, который фокусируется магнитным полем индукцией 1,08 Тл. В ходе эксперимента токопрохождение на коллектор составило около 50% в канале сечением 148×50 мкм.

МПФС используются для создания периодического магнитного поля, обеспечивающего продольную и поперечную фокусировку пучка. Позволяют реализовать компактные и эффективные системы сопровождения. Так в работе [22] для обеспечения стабильного формирования электронного потока и минимизации осцилляций была разработана МПФС с использованием магнитов из сплава SmCo. Подбор индивидуальной намагниченности для каждого магнита позволил добиться оптимального распределения магнитного поля и минимальных пульсаций границы пучка.

Рисунок 3. Траектории электронов в пролётном канале (кривые 1) и распределение магнитного поля B на оси замедляющей системы (кривые 2) [22]

Компьютерное моделирование и оптимизация ЭОС (CST Studio Suite, TAU, MICHELLE) позволяют моделировать формирование, транспортировку и взаимодействие электронного пучка с замедляющей системой типа ПВ. Расчёты и моделирование проводились в программном комплексе «CST EM Studio», что позволило визуализировать траектории электронов и распределение магнитного поля в пролётном канале. Для расчёта использовались следующие параметры: длина замедляющей системы — 80 мм, ускоряющее напряжение — 12 кВ, ток пучка — 80 мА, токопрохождение — 100%, мощность входного сигнала — 35 мВт. Расчётная выходная мощность составила более 20 Вт в полосе частот 15%.

Изготовленные макеты ЛБВ показали увеличение тока эмиссии на 33% по сравнению с расчётным значением, что было связано с миграцией активного вещества (бария) с катода на боковой экран. После корректировки конструкции и учёта паразитной эмиссии удалось достичь:

1. Токопрохождения 93–95% при токе пучка 83–85 мА
2. Выходная мощность составила от 12,2 до 18,3 Вт
3. Коэффициент усиления — от 26,1 до 27,8 дБ в полосе частот 8% при токопрохождении 85–95%.

Заключение

Современные ЭОС для ЛБВ с ЗС типа ПВ становятся ключевым элементом развития вакуумной электроники в миллиметровом и терагерцовом диапазонах. Несмотря на значительные технологические трудности, связанные с формированием и транспортировкой пучков с экстремально высокой плотностью тока, достигнуты впечатляющие результаты: реализованы приборы с выходной мощностью свыше 100 Вт в миллиметровом диапазоне и десятки милливатт в терагерцовом.

Наиболее перспективными направлениями развития являются дальнейшее совершенствование компрессионных ЭОС для формирования ленточных и многолучевых потоков, а также оптимизация магнитных периодических систем для их эффективной фокусировки.

Совершенствование методологии компьютерного моделирования и отработка технологических процессов производства позволят в будущем существенно повысить КПД, массогабаритные показатели и надежность ЛБВ. Это, в свою очередь, обеспечит их широкое и эффективное внедрение в передовые информационно-коммуникационные комплексы, оборонные технологии, системы медицинской диагностики и космическую аппаратуру.

Список литературы:

1. Du, Y. Experimental investigation of an ultrawide bandwidth W-band pulsed traveling-wave tube with microfabricated folded-waveguide circuits / Y. Du, J. Cai, P. Pan, R. Dong, X. Zhang, S. Liu, X. Wu, J. Feng // IEEE Trans. Plasma Sci. – 2019. – V. 47. – P. 219-225. DOI: 10.1109/TPS.2018.2880792.
2. Pan, P. Demonstration of a 263-GHz traveling wave tube for electron paramagnetic resonance spectroscopy / P. Pan, Y. Zheng, Y. Li , X. Song, Z. Feng, J. Feng, R.D. Britt, N.C. Luhmann // IEEE Trans. Electron Devices. – 2023. – V. 70. – P. 5897–5902. DOI: 10.1109/TED.2023.3312230.
3. Ivanov, A.A. W-band pulsed TWT family with different output power/ A.A. Ivanov, M.S. Nagornyuk, A.E. Smirnov, R.M. Rozental, N.Yu. Peskov // 44th International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves (IRMMWTHz), 2019. – 2019. – P.1-2. DOI: 10.1109/IRMMW-THz.2019.8874538.
4. P. Pan, Y. Tang, H, Li, T. Li, L. Zhang, D. Li, J. Feng, “Design and Experiment of a 340 GHz traveling wave tube for terahertz cloud radars,” in Proc. IEEE 18th Int. Vac. Electron. Conf., Apr. 2017, pp. 1-2. DOI: 10.1109/IVEC.2017.8289713.
5. M. Yoshida, J. Kobayashi, Y. Fujishita, N. Masuda, N. Sekine, A. Kanno, N. Yamamoto, A. Kasamatsu, I. Hosako, “Development activity of terahertz amplifiers with FWG-TWTs,” in Proc. IEEE 17th Int. Vac. Electron. Conf., Apr. 2016, pp. 1-2. DOI: 10.1109/IVEC.2016.7561776.
6. K. Li, W. Liu, Y. Wang and M. Cao, “Design and simulation of 340GHz folded waveguide traveling wave tube,” in Proc. IEEE 16th Int. Vac. Electron. Conf., Apr. 2015, pp. 1-2. DOI: 10.1109/IVEC.2015.7223858.
7. P. Hu, W. Lei, Y. Jiang, Y. Huang, R. Song, H. Chen, Y. Dong, “Development of a 0.32-THz folded waveguide traveling wave tube,” IEEE Trans. Electron Devices, vol. 65, no. 6, pp. 2164-2169, Jun. 2018. DOI: 10.1109/TED.2017.2787682.
8. J. C. Tucek, M. A. Basten, D. A. Gallagher, and K. E. Kreischer, Vac. “Operation of a compact 1.03 THz power amplifier,” in Proc. IEEE 17th Int. Electron. Conf., Sep. 2016, pp. 1-2. DOI: 10.1019/IVEC.2016.7561772.
9. Fei L. et al. Development of W-band folded waveguide TWT with lowered operating voltage and improved gain flatness //IEEE Transactions on Plasma Science. – 2020. – Т. 48. – №. 8. – С. 2939-2947.
10. Hu, P.; Lei, W.; Jiang, Y.; Huang, Y.; Song, R.; Chen, H.; Dong, Y. Demonstration of a Watt-Level Traveling Wave Tube Amplifier Operating Above 0.3 THz. IEEE Electron Device Lett. 2019, 40, 973-976.
11. Zheng, Y. Electron beam transport system for 263-GHz sheet beam TWT / Y. Zheng, D. Gamzina, B. Popovic, N.C. Luhmann // IEEE Trans. Electron Devices. – 2016. – V. 63. – P. 4466-4472. DOI: 10.1109/TED.2016.2606322.
12. Yang, L. Study of a novel bidirectional compression electron gun for W-band sheet beam TWT / L. Yang, J. Wang, H. Li, W. Jiang, K. Dong, Y. Luo // IEEE Trans. Plasma Sci. – 2017. –V. 45. – P. 805-810. DOI: 10.1109/TPS.2017.2688480.
13. Zhang, C. Design and experiments of the sheet electron beam transport with periodic cusped magnetic focusing for terahertz traveling-wave tubes / C. Zhang, P. Pan, X. Chen, S. Su, B. Song, Y. Li, S. Lü, J. Cai, Y.Gong, J. Feng // Electronics. – 2021. – V. 10. – 3051. DOI: 10.3390/electronics10243051.
14. Cook, A.M. Demonstration of a W-band traveling-wave tube power amplifier with 10-GHz bandwidth / A.M. Cook, E.L. Wright, K.T. Nguyen, C.D. Joye, J.C. Rodgers, R.L. Jaynes, I.A. Chernyavskiy, F.N. Wood, B.S. Albright, D.K. Abe, J.P. Calame, B. Levush, D.E. Pershing, J. Atkinson, T. Kimura // IEEE Trans. Electron Devices. – 2021. – V. 68.– P. 2492-2498. DOI: 10.1109/TED.2021.3068926.
15. Navrotsky I. A., Burtsev A. A., Kivokurtsev A. Y., Shumikhin K. V., Shalaev P. D., Karetnikova T. A., Ryskin N. M. Development of electron-optical sys tem with three elliptic electron beams for a THz-band vacuum-tube device. 10th UK-Europe-China Work shop on Millimetre Waves and Terahertz Technologies (UCMMT). Liverpool, UK, 2017, pp. 8068467. DOI: 10.1109/UCMMT.2017.8068467.
16. Navrotsky I. A., Burtsev A. A., Danilushkin A. V., Karet nikova T. A., Ryskin N. M., Shumikhin K. V. Developing of EOS model with elliptical beams for THz devices. International Conference on Actual Problems of Electron Devices Engineering (APEDE). Saratov, IEEE, 2018, vol. 1, pp. 170–174. DOI: 10.1109/APEDE.2018.8542203.
17. Baig, A. Performance of a nano-CNC machined 220-GHz traveling wave tube amplifier / A. Baig, D. Gamzina, T. Kimura, J. Atkinson, C. Domier, B. Popovic, L. Himes, R. Barchfeld, M. Field, N.C. Luhmann // IEEE Trans. Electron Devices. – 2017. – V. 64. – P. 2390-2397. DOI: 10.1109/TED.2017.2682159.
18. Field, M. Development of a 100-W 200-GHz high bandwidth mm-wave amplifier / M. Field, T. Kimura, J. Atkinson, D. Gamzina, N.C. Luhmann, B. Stockwell, T.J. Grant, Z. Griffith, R. Borwick, C. Hillman, B. Brar, T. Reed, M. Rodwell, Y.-M. Shin, L.R. Barnett, A. Baig, B. Popovic, C. Domier, R. Barchfield, J. Zhao, J.A. Higgins, Y. Goren // IEEE Trans. Electron Devices. – 2018. – V. 65. – P. 2122-2128. DOI: 10.1109/TED.2018.2790411.
19. Zhang, C. Demonstration of a PCM-focused sheet beam TWT amplifier at G-Band / C. Zhang, P. Pan, J. Cai, X. Chen, H. Tian, S. Su, K. Zhou, W. Meng, Y. Li, B. Song, Y. Gong, J. Feng // IEEE Trans. Electron Devices. – 2023. – V. 70. – P. 2798-2803. DOI: 10.1109/TED.2022.3233291.
20. Yang, R. Design and experiment of 1 THz slow wave structure fabricated by nano-CNC technology / R. Yang, J. Xu, L. Yue, P. Yin, J. Luo, H. Yin, G. Zhao, G. Guo, S. Yu, X. Niu, M. Hu, D. Liu, W. Wang, W. Liu, D. Li, Y. Wei // IEEE Trans. Electron Devices. – 2022. – V. 69. – P. 2656-2661. DOI: 10.1109/TED.2022.3161255.
21. Yin, P. C. Sheet electron optical system for a 1.03-THz traveling-wave tube / P.C. Yin, J. Xu, R.C. Yang, J.J. Luo, J. Zhang, D.D. Jia, W.Y. Fan, Y. Ouyang, L.N. Yue, J.C. Cai, H.R. Yin, G.Q. Zhao, G. Guo, L. Xu, W.X. Wang, W.X. Liu, Y.Y. Wei // IEEE Electron Device Lett. – 2022. – V. 43. – P. 1343-1346. DOI: 10.1109/ LED.2022.3187160.
22. Иванов А. А. Исследование возможности улучшения выходных характеристик ламп бегущей волны W-диапазона // Известия вузов. Радиофизика. — 2016. — Т. 59, № 8–9. — С. 721–728. — УДК: 621.385.