Study of the microstrip planar slow-wave structures for the millimeter-band vacuum microelectronics devices

封面

如何引用文章

全文:

详细

The aim of this work is study of high-frequency characteristics of planar meander-line slow-wave structures on dielectric substrates for millimeter-band traveling-wave tubes with sheet electron beam. The main method is numerical simulation of electromagnetic wave propagation processes in the mentioned structures using modern three-dimensional fully-electromagnetic finite-element and finite-difference software simulation packages. Results. For the microstrip slow-wave structure in addition to the main slow-wave mode there are fast volume modes, which can prevent stable regimes of TWT-amplifier operation. The spatial parameters of the structure were optimized to suppress the volume modes in the operating frequency band. High values of the attenuation coefficient of the surface slow-wave modes are also the features of the system. The results of the simulation of the ohmic losses using different numerical methods are presented, their qualitative and quantitative comparison is carried out. Conclusion. The high-frequency characteristics of miniaturized planar microstrip meander-line slow wave structures on a dielectric substrate are studied in detail. The effect of spatial parameters of the structure on the cut-off frequencies of volume and surface modes is investigated. The main methods of ohmic loss simulation are presented. It is shown that simulation using perturbation theory and time-domain simulation gives underestimated values of ohmic losses.

作者简介

Roman Torgashov

Saratov Branch of Kotel`nikov Institute of Radiophysics and Electronics of Russian Academy of Sciences; Saratov State University

ORCID iD: 0000-0002-9090-0349
SPIN 代码: 6428-0774
Scopus 作者 ID: 57195477078
Researcher ID: Y-2825-2018
ul. Zelyonaya, 38, Saratov, 410019, Russia

Andrej Rozhnev

Saratov Branch of Kotel`nikov Institute of Radiophysics and Electronics of Russian Academy of Sciences; Saratov State University

ORCID iD: 0000-0003-4687-1357
SPIN 代码: 6811-9702
ul. Zelyonaya, 38, Saratov, 410019, Russia

Nikita Ryskin

Saratov Branch of Kotel`nikov Institute of Radiophysics and Electronics of Russian Academy of Sciences; Saratov State University

ORCID iD: 0000-0001-8501-6658
SPIN 代码: 6789-9002
Scopus 作者 ID: 7003373306
Researcher ID: K-2549-2012
ul. Zelyonaya, 38, Saratov, 410019, Russia

参考

  1. Gulyaev Y. V., Sinitsyn N. I. Super-miniaturization of low-power vacuum microwave devices // IEEE Trans. Electron Devices. 1989. Vol. 36, no. 11. P. 2742–2743. doi: 10.1109/16.43782.
  2. Денисов Г. Г., Глявин М. Ю., Гинзбург Н. С., Зотова И. В., Песков Н. Ю., Савилов А. В., Рыскин Н. М. Вакуумная СВЧ-электроника: освоение терагерцового диапазона частот // В кн.: Терагерцовая фотоника и оптоэлектроника / Под ред. В. Я. Панченко. М.: РАН, 2024. 764 с.
  3. Potter B. R., Scott A. W., Tancredi J. J. High-power printed circuit traveling wave tubes // In: 1973 International Electron Devices Meeting. 1973, Washington, DC, USA. P. 521–524. doi: 10.1109/IEDM.1973.188775.
  4. Гуляев Ю. В., Жбанов А. И., Захарченко Ю. Ф., Нефедов И. С., Синицын Н. И., Торгашов Г. В. Планарные замедляющие системы миниатюрных электровакуумных СВЧ приборов // Радиотехника и электроника. 1994. T. 39, № 12. С. 2049–2058.
  5. Ryskin N. M., Rozhnev A. G., Starodubov A. V., Serdobintsev A. A., Pavlov A. M., Benedik A. I., Torgashov R. A., Torgashov G. V., Sinitsyn N. I. Planar microstrip slow-wave structure for lowvoltage V-band traveling-wave tube with a sheet electron beam // IEEE Electron Device Letters. 2018. Vol. 39, no. 5. P. 757–760. doi: 10.1109/LED.2018.2821770.
  6. Wang S., Aditya S., Xia X., Ali Z., Miao J. On-wafer microstrip meander-line slow-wave structure at Ka-band // IEEE Trans. Electron Devices. 2018. Vol. 65, no. 6. P. 2142–2148. doi: 10.1109/TED.2018.2798575.
  7. Wang S., Aditya S., Xia X., Ali Z., Miao J., Zheng Y. -band symmetric V-shaped meander-line slow wave structure // IEEE Transactions on Plasma Science. 2019. Vol. 47, no. 10. P. 4650–4657. doi: 10.1109/TPS.2019.2940254.
  8. Wang Z., Du F., Li S., Hu Q., Duan Z., Gong H., Gong Y., Feng J. Study on an X-band sheet beam meander-line SWS // IEEE Transactions on Plasma Science. 2020. Vol. 48, no. 12. P. 4149–4154. doi: 10.1109/TPS.2020.3035411.
  9. Socuellamos J. M., Dionisio R., Letizia R., Paoloni C. Experimental validation of phase velocity and interaction impedance of meander-line slow-wave structures for space traveling-wave tubes // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2021. Vol. 69, no. 4. P. 2148–2154. doi: 10.1109/TMTT.2021.3054913.
  10. Guo G., Zhang T., Zeng J., Yang Z., Yue L., Wei Y. Investigation and fabrication of the printed microstrip meander-line slow-wave structures for D-band traveling wave tubes // IEEE Trans. Electron Devices. 2022. Vol. 69, no. 9. P. 5229–5234. doi: 10.1109/TED.2022.3192214.
  11. Guo G., Jing Z., Qixiang Z., Tianzhong Z., Taifu Z., Pengyu L., HanBiao T., Yanyu W. Investigation and experiment of a novel chamfered V-shaped microstrip slow-wave structure for W-band traveling-wave tube // J. Infrared Milli. Terahz Waves. 2024. Vol. 45. P. 629–644. DOI: 10.1007/ s10762-024-00994-x.
  12. Торгашов Р. А., Бенедик А. И., Рыскин Н. М. Исследование миниатюрного низковольтного генератора обратной волны миллиметрового диапазона с планарной замедляющей системой // Известия вузов. ПНД. 2017. Т. 25, № 5. С. 35–46. doi: 10.18500/0869-6632-2017-25-5-35-46.
  13. Zhao C., Aditya S., Wang S. A novel coplanar slow-wave structure for millimeter-wave BWO applications // IEEE Trans. Electron Devices. 2021. Vol. 68, no. 4. P. 1924–1929. DOI: 10.1109/T ED.2021.3059435.
  14. Ulisse G., Krozer V. -band traveling wave tube amplifier based on planar slow wave structure // IEEE Electron Device Letters 2017. Vol. 38, no. 1. P. 126–129. doi: 10.1109/LED.2016.2627602.
  15. Zhao C., Aditya S. Planar Slow-Wave Structures: Applications in Traveling-Wave Tubes. Institute of Physics Publishing, 2024. 326 p. doi: 10.1088/978-0-7503-5764-7.
  16. Gong Y., Wang S. Planar Slow Wave Structure Traveling Wave Tubes. Design, Fabrication and Experiment. Institute of Physics Publishing, 2024. 188 p. doi: 10.1088/978-0-7503-5452-3.
  17. Ryskin N. M., Torgashov R. A., Starodubov A. V., Rozhnev A. G., Serdobintsev A. A., Pavlov A. M., Galushka V. V., Bessonov D. A., Ulisse G., Krozer V. Development of microfabricated planar slow-wave structures on dielectric substrates for miniaturized millimeter-band traveling-wave tubes // J. Vac. Sci. Technol. B. 2021. Vol. 39, no. 1. P. 013214. doi: 10.1116/6.0000716.
  18. Торгашов Р. А., Стародубов А. В., Рожнев А. Г., Рыскин Н. M. Исследование и разработка ламп бегущей волны с планарными микрополосковыми замедляющими системами на диэлектрических подложках // Радиотехника и электроника. 2022. Т. 67, № 10. С. 981–986. doi: 10.31857/S0033849422100138.
  19. Nozhkin D. A., Starodubov A. V., Torgashov R. A., Galushka V. V., Kozhevnikov I. O., Serdobintsev A. A., Lebedev A. D., Kozyrev A. A., Ryskin N. M. Laser micromachining of 2-D microstrip V-band meander-line slow wave structures // IEEE Trans. Electron Devices. 2025. Vol. 72, no. 1. P. 453–458. doi: 10.1109/TED.2024.3507759.
  20. RF Module User’s Guide, COMSOL Multiphysics v. 5.6. 2020. Stockholm: COMSOL AB, 2020.
  21. High Frequency Structure Simulator (HFSS). ANSYS Inc, Pittsburg, PA, USA [Electronic resource] // Available from: http://www.ansoft.com/products/hf/hfss/.
  22. CST STUDIO SUITE [Electronic resource] // Available from: http://www.3ds.com/productsservices/simulia/products/cst-studio-suite.
  23. Силин Р. А., Сазонов В. П. Замедляющие системы. М.: Советское радио, 1966. 632 с.
  24. Трубецков Д. И., Храмов А. Е. Лекции по СВЧ электронике для физиков. М.: Физматлит, 2003. Т. 1. 496 с.
  25. Cutler C. C. Instability in hollow and strip electron beams // J. Appl. Phys. 1955. Vol. 27, no. 9. P. 1028–1029. doi: 10.1063/1.1722535.
  26. Nguyen K. T., Pasour J., Antonsen T. M., Larsen P. B., Petillo J. J., Levush B. Intense sheet electron beam transport in a uniform solenoidal magnetic field // IEEE Trans. Electron Devices. 2009. Vol. 56, No. 5. P. 744—752. doi: 10.1109/TED.2009.2015420.
  27. Вайнштейн Л. А. Электромагнитные волны. М.: Радио и связь, 1988. 440 c.
  28. Ильинский А. С., Слепян Г. Я. Колебания и волны в электродинамических системах с потерями. М.: Изд-во МГУ, 1983. 232 c.
  29. Hammerstad E. O. Microstrip Handbook / ed. by Bekkadal F. Trondheim, Norway: Norwegian Inst. Technol, 1985. 118 p.

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML
下载

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».