Ч.З. Нгуен¹, С.А. Аликов²,  А.Г. Шеин³, Д.Г. Ковтун4, Е.М. Ильин5

1−4 Волгоградской государственный технический университет (г. Волгоград, Россия)

5 Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана (Москва, Россия)

Постановка проблемы. Освоение терагерцевого диапазона дает множество возможностей для практического применения, в связи с чем задача об оптимизации существующих и создании новых усилителей и генераторов, работающих в данном частотном диапазоне, не теряет своей актуальности. Один из возможных подходов для решения рассматриваемой задачи предоставляет электровакуумная электроника, где особо можно отметить лампу бегущей волны из-за комбинации ее характеристик по мощности и полосе пропускания.

Цель. Провести трехмерное моделирование процессов в лампе бегущей волны терагерцевого диапазона, для чего необходимо разработать трехмерную модель лампы на основе метода конечных разностей во временной области (FDTD) для уравнений Максвелла и метода «облако-в-ячейке» (CIC), с последующем проведением серии численных экспериментов по исследованию характеристик прибора с заданными параметрами электронного потока и конфигурацией пространства взаимодействия. Результаты. Представлены результаты моделирования лампы бегущей волны О-типа терагерцевого диапазона на примере усилителя с замедляющей структурой типа «сдвоенная гребенка» с ленточным электронным потоком. Показано, что представленный алгоритм может быть использован для моделирования процессов в замедляющей структуре сложного вида с входным и выходным волноводами и вставками поглотителя. Выполнена оценка коэффициента усиления по мощности для системы с поглотителем различной длины, оптимизирована длина поглотителя.

Практическая значимость. Предложенная модель может применяться для исследования процессов в электровакуумных приборах с целью как модернизации уже существующих СВЧ-усилителей и генераторов в терагерцевом диапазоне, так и разработка новых приборов.

Нгуен Ч.З., Аликов С.А., Шеин А.Г., Ковтун Д.Г., Ильин Е.М. Трехмерное моделирование процессов в лампе бегущей волны терагерцевого диапазона // Электромагнитные волны и электронные системы. 2021. Т. 26. № 1. С. 45−54. DOI: https://doi.org/10.18127/j15604128-202101-05.

1. Siegel P. THz technology in biology and medicine // IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 2004. V. 52. № 10. P. 2438−2447.
2. Linfield E. Terahertz applications: a source of fresh hope // Nat. Photonics. 2007. V. 1. P. 257−258.
3. Federici J. Review of terahertz and subterahertz wireless communications // J. Appl. Phys. 2010. V. 107. № 11.111101.
4. Fan Sh., He Y., Ung B.S., et all. The growth of biomedical terahertz research // J. Phys. D: Appl. Phys. 2014. V. 47. № 37.374009.
5. Siegel P. Terahertz technology // IEEE Trans. 2002. V. MTT-47. № 3. P. 910.
6. Booske J.H., Dobbs R.J., Joye C.D., et all. Vacuum electronic high-power terahertz sources // IEEE Trans. Terahertz Sci. Technol. 2011. V. 1. № 1. P. 54−75.
7. Shin Y.-M., Barnett L.R., Luhmann N.C. Phase-shifted traveling-wave-tube circuit for ultrawideband high-power submillimeterwave generation // IEEE Trans. Electron Devices. 2009. V. 56. № 5. P. 706−712.
8. Shin Y.-M., Baig A., Barnett L.R., et all. Modeling Investigation of an Ultrawideband Terahertz Sheet Beam Traveling-Wave Tube Amplifier Circuit // Terahertz Science and Technology. ISSN 0018-9383. September 2011. V. 58. № 9. P. 3213−3218.
9. Baig A., Shin Y.-M., Barnett L.R., et all. Fabrication and RF Testing of Near-THz Sheet Beam TWTA // Terahertz Science and Technology. ISSN 1941-7411. December 2011. V. 4. № 4. P. 181−207.
10. Baig A., Shin Y.-M., Barnett L.R., et all. System design analysis of a 0.22-THz sheet-beam traveling-wave tube amplifier // IEEE Trans. Electron Devices. 2012. V. 59. № 1. P. 234−240.
11. Каретникова Т.А., Рожнёв А.Г., Рыскин Н.М. и др. Моделирование лампы бегущей волны субтерагерцевого диапазона с замедляющей системой типа сдвоенной гребенки и ленточным электронным пучком // Радиотехника и электроника. 2016. Т. 61. № 1. С. 54−60.
12. Каретникова Т.А., Рожнёв А.Г., Рыскин Н.М. и др. Исследование характеристик замедляющей системы лампы бегущей волны миллиметрового диапазона с ленточным электронным пучком // Известия вузов. Радиофизика. 013. Т. LVI. № 8–9. С. 601−613.
13. Григорьев Ю.Н., Вшивков В.А., Федорук М.П. Численное моделирование методами частиц-в-ячейках. Новосибирск: СО РАН. 2004.
14. Inan U.S., Marshall R.A. Numerical Electromagnetics The FDTD Method. Cambridge University Press. 2011. 390 p.
15. Umeda T., Omura Y., Tominaga T., et all. A new charge conservation method in electromagnetic particle-in-cell simulations // Computer Physics Communications. 2003. № 156. P. 73−85.
16. Potter D. Computational Physics. N.Y.: Wiley. 1973.
17. Каретникова Т.А., Рожнёв А.Г., Рыскин Н.М. и др. Моделирование взаимодействия электронного потока с электромагнитным полем в ЛБВ-усилителе субтерагерцевого диапазона с замедляющей системой типа сдвоенная гребенка // Сб. статей IV Всерос. конф.  «Электроника и микроэлектроника СВЧ». СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ». Т. 1. С. 115−119.