В.Б. Байбурин1, П.Д. Черепанов2, В.П. Мещанов3, В.В. Комаров4, М.И. Балакин5

1,2,4,5 Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А. (г. Саратов, Россия)

3 ООО «НПП «НИКА-СВЧ» (г. Саратов, Россия)

Постановка проблемы. Одной из актуальных проблем современной радиоэлектроники является освоение субтерагерцевого и терагерцевого диапазонов частот. Большие возможности терагерцевого диапазона обусловлены его уникальными свойствами излучения: высокая проникающая и разрешающая способности, малое рассеяние, легкость фокусировки, чем обусловлен большой интерес к его применению в различных областях науки и техники. При этом во всех случаях применения возникает проблема создания эффективных и вместе с тем компактных генераторов и усилителей, работающих в скрещенных электрических и магнитных полях, отличающихся небольшим весом и устойчивостью к различным видам воздействия: механическим, климатическим, радиационным. С точки зрения указанных требований представляется перспективным использование генераторов магнетронного типа, однако серьезным препятствием на пути их применения является необходимость прецизионного изготовления сверхминиатюрных многорезонаторных анодных структур, а также их эффективное охлаждение.

Цель. Разработать математическую модель для проектирования и создания устойчиво работающего в диапазоне терагерцевых и субтерагерцевых частот магнетронного генератора с улучшенными рабочими параметрами и эксплуатационными
характеристиками.

Результаты. Предложена максимально упрощенная конструктивная схема магнетронного генератора, основанная на подтвержденной гипотезе П.Л. Капицы о возможности генерации электромагнитной энергии в генераторе магнетронного типа, в котором многорезонаторная анодная структура заменена коаксиальным резонатором для обеспечения существенного снижения технологических ограничений. Исследована математическая модель генератора магнетронного типа, позволяющая рассчитывать траекторию движения зарядов, наведенный переменный потенциал, наведенные токи, мощность генерирования, а также все выходные параметры генератора на частоте 300 ГГц. Показана возможность дальнейшего повышения частоты генерации.

Практическая значимость. Полученные в результате математического моделирования динамические параметры магнетронного генератора открывают перспективу продвижения исследований в направлении повышения терагерцевых частот, например, до 400–500 ГГц благодаря существенно упроченной компактной конструкции пространства взаимодействия. Подобные генераторы удовлетворяют требованиям компактности, малого веса и устойчивости к различным видам негативного воздействия (механическим, климатическим, радиационным) и могут найти применение в фундаментальной и практической медицине.

Авторы выражают благодарность доктору физико-математических наук, профессору Андрею Дмитриевичу Григорьеву за обсуждение материалов статьи и полезные замечания.

1. Григорьев А.Д. Терагерцовая электроника. М.: Физматлит. 2020.
2. Байбурин В.Б., Розов А.С., Хороводова Н.Ю., Никифоров А.А. Новый подход к созданию перспективных компактных умножителей частоты субтерагерцевого и терагерцевого диапазонов для применения в условиях бортовой электронной техники // Радиотехника. 2021. Т. 85. № 8. С. 111–121. DOI: https:// doi.org/10.18.127/i0038486-2021108-12.
3. Генерация и усиление сигналов терагерцового диапазона: монография / Под ред. А.Е. Храмова, А.Г. Баланова, В.Д. Еремки, В.Е. Запевалова, А.А Короновского. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т. 2016.
4. Байбурин В.Б., Мещанов В.П., Розов А.С. Оценка КПД при параметрической генерации в скрещенных полях // Радиотехника. 2015. № 7. С. 45–47.
5. Байбурин В.Б., Мещанов В.П., Розов А.С. Влияние полей пространственного заряда на параметрическую генерацию в скрещенных полях // Радиотехника. 2017. № 7. С. 95–97.
6. Байбурин В.Б., Розов А.С., Хороводова Н.Ю. Чернышев С.Л. Совместное влияние различных факторов на параметрическую генерацию в скрещенных полях // Радиотехника. 2019. Т. 83. № 7(10). С. 52–56. DOI: 10.18127/j00338486-201907 (10)-09.
7. Захаров А.А. Булдаков Е.И., Еремин В.П. Исследование и разработка мощных импульсных двухмиллиметровых магнетронов повышенной надежности // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2011. № 4 (60). Вып. 2. С. 80–86.
8. Капица П.Л. Электроника больших мощностей. М.: Изд-во академических наук СССР. 1962.
9. Вайнштейн Л.Я., Солнцев В.А. Лекции по сверхвысокочастотной электронике. М.: Сов. радио. 1973.
10. Кураев А.А., Байбурин В.Б., Ильин Е.М. Математические модели и методы оптимального проектирования СВЧ приборов. Минск: Наука и техника. 1990.
11. Shockley W. Currents to Conductors Induced by a Moving Point Charge // Journal of Applied Physics. 1938. № 9 (10). P. 635–636. DOI: 10.1063/1.1710367.
12. Дюбуа Б.Ч., Королев А.Н. Современные эффективные катоды (К истории их создания на ФГУП «НПП «Исток») // Электронная техника. Сер. 1. СВЧ-техника: науч.-технич. сборник. М. 2011. С. 5–24.
13. Гвоздовер С.Д. Теория электронных приборов сверхвысоких частот. М.: Технико-теоретическая литература. 1956.
14. Вольман В.И., Пименов Ю.В. Техническая электродинамика. М.: Связь. 1971.