Исследование двухмодового режима работы двухзазорных фотонно-кристаллических резонансных систем, выполненных на печатной платес фрактальными элементами "остров Минковского"

Введение. В настоящее время проявляется значительный интерес к разработке новых усилителей и генераторов Ku- и K-диапазонов (12…27 ГГц) для применения в бортовой аппаратуре. Одним из претендентов на элементную базу таких устройств могут стать низковольтные многолучевые клистроны (НМЛК). Для НМЛК, работающих в сантиметровом и миллиметровом диапазонах, возникают серьезные проблемы, связанные с необходимостью подавления паразитных видов колебаний. Один из путей решения этих проблем – применение в НМЛК двухзазорных фотонно-кристаллических резонаторов (ДФКР). Еще одно перспективное направление улучшения характеристик таких резонаторов – применение резонансных отрезков полосковых линий c фрактальными элементами. При этом полосковые линии размещаются на диэлектрической подложке в пространстве взаимодействия. Такие резонаторы могут получить также новые, полезные для клистронов свойства (повышение характеристического сопротивления, подавление спектра нежелательных частот, уменьшение массы и габаритов).

Цель работы. Определение оптимального комплекса электродинамических и электронных параметров двухзазорных фотонно-кристаллических резонансных систем с фрактальными элементами "остров Минковского" при работе в составе резонаторной системы НМЛК, возбуждаемой на π- и 2π-видах колебаний.

Материалы и методы. Для расчета электродинамических параметров резонаторов использовался метод конечных разностей во временной области. Для вычисления электронных параметров, таких, как электронная проводимость G_e / G₀ и коэффициент связи M, использовался известный метод Вессель-Берга.

Результаты. Исследованы основные электродинамические параметры резонатора – собственная добротность, резонансная частота и характеристическое сопротивление. Рассчитаны электронные параметры резонатора, коэффициент связи с электронным потоком и относительная электронная проводимость на π- и 2π-видах колебаний. Исследованы 3 варианта резонатора с нулевой, первой и второй итерациями фрактального элемента, амплитудно-частотные характеристики резонатора при изменении шага фотонно-кристаллической решетки. Дана оценка степени неоднородности высокочастотного поля в пространствах взаимодействия резонатора. Определены условия работы одновременно на двух видах колебаний без самовозбуждения.

Заключение. Результаты могут найти применение при разработке резонаторных систем для приборов клистронного типа сантиметрового и миллиметрового диапазонов.

1. Щербаков С. В. Развитие СВЧ электроники в рамках реализации государственных программ // Материалы VI Всерос. науч.-техн. конф. "Электроника и микроэлектроника СВЧ", СПб., 29 мая – 1 июня 2017. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2017. С. 15–23. URL: https://mwelectronics.etu.ru/assets/files/2017/01.pdf (дата обращения 26.05.2021)

2. Kotov A. S., Gelvich E. A., Zakurdayev А. D. Small-Size Complex Microwave Devices (CMD) for Onboard Applications // IEEE Transactions on Electron Devices. 2007. Vol. 54, № 5. P. 1049–1053. doi: 10.1109/TED.2007.893196

3. Bearzatto C., Bres M., Faillon G. Advantages of Multiple Beam Klystrons // Vakuum elektronik und Displays: Vortrage der ITG Fachtagagung. Garmisch-Partenkirchen, 4–5 May 1992. Garmisch-Partenkirchen: ITG, 1992. P. 4–32.

4. Multiple-beam klystron amplifiers: Performance parameters and development trends / A. N. Korolyov, E. A. Gelvich, Y. V. Zhary, A D. Zakurdayev, V. I. Poognin // IEEE Transactions on Plasma Science. 2004. Vol. 32, № 3. Р. 1109–1118. doi: 10.1109/TPS.2004.828807

5. Nusinovich G. S., Levush B., Abe D. K. A review of the development of multiple-beam klystrons and TWTs. Washington: Naval Research Laboratory, 2003. 42 p.

6. S-band multibeam klystron with bandwidth of 10 % / Y. Ding, B. Shen, S. Shi, J. Cao // IEEE Transactions Electron Devices. 2005. Vol. 52, № 5. Р. 889–894. doi: 10.1109/TED.2005.845796

7. Smirnov A. V., Newsham D., Yu D. PBG Cavities for Single-Beam and Multi-Beam Electron Devices // Proc. of Particle Accelerator Conf. Portland, Oregon, 12–16 May 2003. Portland, Oregon: IEEE, 2003. P. 1153–1155. doi: 10.1109/PAC.2003.1289636

8. Xu Y., Seviour R. Design of Photonic Crystal Klystrons // Proc. of the 1st Intern. Particle Accelerator Conf. (IPAC 2010), Kyoto, 23–28 May 2010. Р. 4002–4004.

9. Singh A., Jain P. K. FDTD Analysis of the Dispersion Characteristics of the Metal PBG Structures // Progress in Electromagnetics Research B. 2012. Vol. 39. P. 71–88. doi: 10.2528/PIERB11120601

10. Xie Chenglong, Chen Chun-Ping, Anada Tetsuo 2D microwave metallic photonic crystal point-defect-cavity resonator // Microwave and Optical Technology Lett. 2017. Vol. 59, № 10. P. 2547–2551. doi: 10.1002/mop.30767

11. Simulation and Measurement of Properties of Metallic Photonic Crystal Point-Defect-Cavities with a Centrally-Loaded Rod / Chen Chun-Ping, Xie Chenglong, Anada Tetsuo, Zhang Zejun // IEICE Transactions on Electronics. 2018. Vol. E101–C, № 1. Р. 91–95. doi: 10.1587/transele.E101.C.91

12. Study of Hybrid Photonic Band Gap Resonators for Particle Accelerators / M. R. Masullo, A. Andreone, E. Di Gennaro, S. Albanese, F. Francomacaro, M. Panniello, V. G. Vaccaro, G. Lamura // Microwave and Optical Technology Lett. 2006. Vol. 48, № 12. Р. 2486–2491. doi: 10.1002/mop.22016

13. Мiniaturized dual-mode resonators with Minkowski-Island-based fractal patch for Wlan Dual-Band systems / J. Ch. Liu, H. H. Liu, K. D. Yeh, Ch. Y. Liu, B. H. Zeng, Ch. Ch. Chen // Progress In Electromagnetics Research C. 2012. Vol. 26. P. 229–243. doi: 10.2528/PIERC11111502

14. Luo Q., Salgado H. M., Pereira J. R. Fractal Monopole Antenna Design Using Minkowski Island Geometry // IEEE Antennas and Propagation Society Intern. Symp., North Charleston, 1–5 June 2009. North Charleston: IEEE, 2009. P. 1–4. doi: 10.1109/APS.2009.5172157

15. Thanh Nghia Cao, Wojciech Jan Krzysztofik. Frequency tuned Minkowski island fractals RHCP antenna optimised for three-band GPS receiver // IET Microwaves, Antennas & Propagation. 2019. Vol. 13, № 14. P. 2501–2508. doi: 10.1049/iet-map.2019.0072

16. Hota S., Mishra G. P., Mangaraj B. B. Design and Performance Study of Modified Minkowski Island Fractal Patch Antenna for Various Wireless Communications // Intern. Conf. on Inventive Computing and Informatics (ICICI 2017), Coimbatore, 23–24 Nov. 2017. Coimbatore: IEEE, 2017. P. 849–855. doi: 10.1109/ICICI.2017.8365256

17. Мирошниченко А. Ю., Царев В. А., Акафьева Н. А. Новые типы двухзазорных фотонно-кристаллических резонаторов, обеспечивающие улучшенные выходные параметры миниатюрных многолучевых клистронов коротковолновой части микроволнового диапазона // Радиотехника. 2019. Т. 83, № 8 (12). С. 35–41. doi: 10.18127/j00338486-201908(12)-05

18. Проектирование и исследование технологии изготовления перспективной замедляющей системы для ЛБВ W-диапазона / Е. А. Ракова, А. В. Галдецкий, Г. Ф. Корепин, В. А. Смирнов, Н. П. Зубков, Н. А. Лябин, В. С. Парамонов, А. В. Дерябкин, Е. Н. Куликов, М. П. Духновский // Материалы V Всерос. науч.-техн. конф. "Электроника и микроэлектроника СВЧ", СПб., 30 мая – 2 июня 2016. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2016. С. 148152. URL: https://mwelectronics.etu.ru/assets/files/2016/oral/03_17.pdf (дата обращения 14.09.2021)

19. Свид. об офиц. регистрации программы для ЭВМ 2011611748 RU. REZON / В. Ю. Мучкаев, В. А. Царев. Опубл. 24.02.2011.