Мощные приборы вакуумной микроэлектроники суб-ТГц диапазона с многолучевыми ленточными электронными потоками

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-12-00181

НазваниеМощные приборы вакуумной микроэлектроники суб-ТГц диапазона с многолучевыми ленточными электронными потоками

Руководитель Рыскин Никита Михайлович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А.Котельникова Российской академии наук , г Москва

Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-401 - Вакуумная и плазменная электроника, СВЧ-электроника

Ключевые слова вакуумная микроэлектроника, субтерагерцевый диапазон, замедляющая система, ленточный электронный поток, электронно-оптическая система

Код ГРНТИ47.29.37

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на решение фундаментальной проблемы вакуумной электроники — создание мощных широкополосных малогабаритных источников когерентного излучения в суб-ТГц диапазоне с мощностью порядка сотен Ватт. Освоение этого диапазона является приоритетной задачей современной радиоэлектроники. Источники когерентного ТГц излучения имеют широкие перспективы применения, прежде всего для нового поколения высокоскоростных систем беспроводной передачи данных. Подобные источники способны обеспечить передачу сигнала со скоростью 10 Гб/с и выше на большие расстояния. Также они представляют интерес в таких областях, как дистанционный неразрушающий поиск и обнаружение взрывчатых веществ, радиоастрономия, спектроскопия, медицина. Однако ТГц диапазон на сегодняшний день является наиболее слабо освоенным участком электромагнитного спектра, поскольку в нем резко снижается мощность, достижимая как с помощью существующих в настоящее время вакуумных и твердотельных, так и с помощью оптических приборов. Не вызывает сомнений, что создание мощных (десятки и сотни Вт) миниатюрных источников когерентного ТГц излучения и разработка нового поколения элементной базы вакуумной микроэлектроники на их основе будет иметь огромное значение. Конкретной задачей проекта является создание миниатюрного усилителя суб-ТГц диапазона на основе многолучевого ленточного электронного потока с рабочей полосой частот не менее 5 ГГц и выходной мощностью в режиме насыщения свыше 100 Вт. Разработка подобного прибора является комплексной проблемой, включающей несколько основных аспектов: 1. Создание электронно-оптической системы (ЭОС) с высокой компрессией (десятки единиц по площади), обеспечивающей формирование многолучевого ленточного электронного потока (ЭП) высокой плотности (100-200 A/cm2) и толщиной порядка 100 мкм. Обеспечение устойчивой транспортировки подобного пучка на расстояния порядка нескольких см. 2. Разработка миниатюрных широкополосных замедляющих систем (ЗС), включая устройства ввода/вывода энергии, в которых осуществляется взаимодействие с многолучевым ленточным ЭП, обладающих большим замедлением и высоким сопротивлением связи. 3. Исследование фундаментальных аспектов взаимодействия многолучевого пучка с различными собственными модами пространственно-развитой ЗС. Разработка конструкции усилителя, обеспечивающей требуемый уровень коэффициента усиления, выходной мощности, КПД, ширины рабочей полосы частот. 4. Отработка технологий создания электродинамических систем с характерными размерами порядка 100 мкм, шероховатостью поверхности менее 200 нм. В рамках проекта будет исследована ЗС типа многоэтажный меандр V-диапазона, которая была впервые предложена авторами данного проекта. С целью продвижения в более высокочастотные диапазоны будет также исследована многорядная лестничная ЗС и ее модификации. Будут апробированы различные технологии изготовления подобных структур, в том числе, технология 3-D печати путем спекания лазером металлического порошка (SLM-технология), 3D-печать термостойкими фоточувствительными полимерными смолами с последующей металлизацией с помощью технологии магнетронного напыления, электроискровая микрообработка, лазерная абляция, микрофрезерование на вертикальных фрезерных обрабатывающих центрах с ЧПУ и др. В настоящее время аналоги подобных приборов отсутствуют, как в нашей стране, так и за рубежом.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Стародубов А.В., Ножкин Д.А., Расулов И.И., Сердобинцев А.А., Кожевников И.О., Галушка В.В., Сахаров В.К., Бессонов Д.А., Галкин А.Д., Бахтеев И.Ш., Молчанов С.Ю., Герман С.В., Рыскин Н.М. Технологии формирования электродинамических структур для устройств вакуумной микроэлектроники миллиметрового и терагерцевого диапазонов (обзор) Радиотехника и электроника, Т. 67, №. 10, С. 935–945 (год публикации - 2022)
10.31857/S0033849422100126

2. Рыскин Н.М., Торгашов Р.А., Титов В.Н., Навроцкий И.А., Стародубов А.В., Плоских А.Э., Рожнев А.Г. Исследование миниатюрных ламп бегущей волны миллиметрового диапазона с многолучевыми ленточными электронными пучками Известия вузов. Радиофизика, 2022. Т. 65. № 5-6. C. 494-504 (год публикации - 2022)
10.52452/00213462_2022_65_05_494

3. Торгашов Р.А., Рыскин Н.М. Study of multiple-beam sub-THz traveling-wave tube with meander-line slow-wave structure 2022 International Conference on Actual Problems of Electron Devices Engineering (APEDE’2022). Materials of the International Scientific and Technical Conference. Saratov State Technical University, September 22-23, 2022., P.43-46 (год публикации - 2022)
10.1109/APEDE53724.2022.9912845

4. Стародубов А.В., Кожевников И.О., Сердобинцев А.А., Герман С.В., Павлов А.М., Галушка В.В., Молчанов С.Ю., Бахтеев И.Ш., Рыскин Н.М. Millimeter-band measurement test assembly microfabricated by 3D LCD printing and magnetron sputtering 2022 35th International Vacuum Nanoelectronics Conference (IVNC). Seoul, Korea, 5–8 July, 2022, P. 147-148 (год публикации - 2022)

5. Колесниченко Е.Е., Торгашов Р.А., Адилова А.Б. Моделирование электродинамических характеристик замедляющей системы для лампы бегущей волны субтерагерцевого диапазона «Наноэлектроника, нанофотоника и нелинейная физика»: Сборник материалов XVII Всероссийской конференции молодых ученых. Саратов: Изд-во «Техно-Декор», 2022., С. 98-99 (год публикации - 2022)

6. Торгашов Р.А., Ножкин Д.А., Стародубов А.В., Рожнёв А.Г., Рыскин Н.М. Исследование мощной лампы бегущей волны W-диапазона с замедляющей системой меандрового типа и двухлучевым электронным потоком Электроника и микроэлектроника СВЧ, Т. 1, С. 239-243. (год публикации - 2023)

7. Стародубов А.В., Галушка В.В., Кожевников И.О., Сердобинцев А.А., Аманов Т.М., Бахтеев И.Ш., Молчанов С.Ю., Рыскин Н.М. Studies on Additive Microfabrication of the Millimeter-band Components by LCD 3D Printing and Magnetron Sputtering 2023 24th International Vacuum Electronics Conference (IVEC), P. 1-2 (год публикации - 2023)
10.1109/IVEC56627.2023.10157484

8. Рыскин Н.М., Стародубов А.В., Торгашов Р.А., Ростунцова А.А., Навроцкий И.А., Рожнев А.Г. Multiple-Tunnel Microfabricated Slow-Wave Structures for Millimeter-Band Traveling-Wave Tubes With Multiple Sheet Electron Beams 2023 24th International Vacuum Electronics Conference (IVEC), P. 1-2. (год публикации - 2023)
10.1109/IVEC56627.2023.10157588

9. Стародубов А.В., Галушка В.В., Рыскин Н.М., Галкин А.Д., Бессонов Д.А., Тужилин Д.Н., Ножкин Д.А. Laser-Based Technologies for Microfabrication of Key Electromagnetic Components of Miniaturized Vacuum Electron Devices 2023 24th International Vacuum Electronics Conference (IVEC), P. 1-2 (год публикации - 2023)
10.1109/IVEC56627.2023.10157320

10. Торгашов Р.А., Ножкин Д. А., Стародубов А.В., Рыскин Н.М. Pазработка и исследование замедляющей системы для миниатюрной многолучевой лампы бегущей волны W-диапазона Радиотехника и электроника, Т. 68, № 10, С. 992-997 (год публикации - 2024)
10.31857/S0033849423100182

11. Торгашов Р.А., Колесниченко Е.Е., Ростунцова А.А., Рожнев А.Г., Стародубов А.В., Рыскин Н.М. The Study of Millimeter-Band Multiple-Beam O-Type Vacuum Electron Devices 2022 IEEE 8th All-Russian Microwave Conference (RMC), P. 86-89 (год публикации - 2023)
10.1109/RMC55984.2022.10079286

12. Колесниченко Е.Е., Ростунцова А.А. Разработка миниатюрных лестничных замедляющих систем субтерагерцового диапазона на основе метаматериалов Нелинейные дни в Саратове для молодых, Вып. 17, С. 134-135 (год публикации - 2023)

13. Торгашов Р.А., Ростунцова А.А., Ножкин Д.А., Стародубов А.В., Колесниченко Е.Е., Ожогин И.С., Рыскин Н.М. Development and fabrication of slow-wave structures for miniaturized double-beam W-band traveling-wave tubes 2024 Photonics & Electromagnetics Research Symposium (PIERS). 21-25 April 2024. Chengdu, China., P. 1-7. (год публикации - 2024)
10.1109/PIERS62282.2024.10618425

14. Ростунцова А.А., Торгашов Р.А., Ножкин Д.А., Рожнев А.Г., Стародубов А.В., Рыскин Н.М. Development of multiple-tunnel slow-wave structures for miniature W-band traveling-wave tubes with multiple sheet electron beams 2024 49th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz). 1-6 Sept. 2024. Perth, Australia. (год публикации - 2024)
10.1109/IRMMW-THz60956.2024.10697730

15. Ножкин Д.А., Стародубов А.В., Торгашов Р.А., Галушка В.В., Кожевников И.О., Сердобинцев А.А., Лебедев А.Д., Козырев А.А., Рыскин Н.М. Laser Micromachining of 2-D Microstrip V-Band Meander-Line Slow-Wave Structures IEEE Transactions on Electron Devices (год публикации - 2024)
10.1109/TED.2024.3507759

16. Ножкин Д.А., Стародубов А.В., Сердобинцев А.А, Кожевников И.О., Галушка В.В, Торгашов Р.А., Ожогин И.С., Ростунцова А.А., Емельянов В.В., Молчанов С.Ю., Рыскин Н.М. Fabrication and Characterization of Millimeter-Band Planar Slow-Wave Structures by using Laser Microprocessing 2024 IEEE 9th All-Russian Microwave Conference (RMC). 25-29 November 2024., P. 422-426 (год публикации - 2024)

17. Ножкин Д.А., Титов В.Н., Торгашов Р.А., Навроцкий И.А., Емельянов В.В., Чистяков И.А., Сторублев А.В., Рожнев А.Г., Рыскин Н.М. Development of Electron-Optic Systems for Miniaturized Sub-THz Vacuum Electron Devices 2024 IEEE 9th All-Russian Microwave Conference (RMC). Moscow, 25-29 November, 2024 (год публикации - 2024)
P. 427-430

18. Ростунцова А.А., Колесниченко Е.Е., Рыскин Н.М. Замедляющие системы со свойствами метаматериалов для ламп бегущей волны W-диапазона Радиотехника и электроника, Т. 69, № 10 (год публикации - 2024)

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Проект направлен на решение фундаментальной проблемы вакуумной электроники — создание мощных широкополосных малогабаритных источников когерентного излучения в суб-ТГц диапазоне с мощностью порядка сотен Ватт. Освоение этого диапазона является приоритетной задачей современной радиоэлектроники. Источники когерентного ТГц излучения имеют широкие перспективы применения для нового поколения высокоскоростных систем беспроводной передачи данных, дистанционного неразрушающего контроля материалов, радиоастрономии, спектроскопии. Конкретной задачей проекта является создание миниатюрного усилителя суб-ТГц диапазона на основе лампы бегущей волны (ЛБВ) с рабочей полосой частот не менее 5 ГГц и выходной мощностью в режиме насыщения свыше 100 Вт. Для решения этой задачи предлагается использовать пространственно-развитые многорядные замедляющие системы (ЗС) в которых осуществляется взаимодействие с многолучевыми ленточными электронными пучками (ЭП). Разработка подобного прибора является комплексной проблемой, включающей несколько основных аспектов, в частности, создание электронно-оптической системы (ЭОС), обеспечивающей формирование многолучевого ленточного ЭП с высокой плотностью тока, разработку миниатюрных широкополосных ЗС, в которых осуществляется взаимодействие с многолучевым ленточным ЭП, обладающих большим замедлением и высоким сопротивлением связи, исследование фундаментальных аспектов взаимодействия многолучевого пучка с различными собственными модами пространственно-развитых ЗС. В 2024 г. были получены следующие основные результаты: 1. Проведена оптимизация конструкции ЛБВ усилителя с ЗС типа меандр с боковыми опорами и двухлучевым ленточным электронным пучком. Разработана новая конструкция системы согласования с устройствами согласования со прямоугольным волноводом стандартного сечения WR-12, которая обеспечивает широкополосное согласование по уровню –10 дБ в диапазоне частот 45-72 ГГц, затухание в рабочем диапазоне частот лежит в пределах 0.02–0.22 дБ/период. 2. Для лестничной ЗС с гантелеобразными щелями получены простые теоретические формулы для оценки диапазона частот, в котором ЗС проявляет свойства «дважды отрицательного» метаматериала, и для оценки ширины полосы пропускания ЗС, которые хорошо согласуются с численным моделированием. Получены геометрические параметры системы, при которых полоса пропускания составляет 85-113 ГГц. В результате трёхмерного PIC моделирования в программном пакете CST Studio установлено, что для системы из 75 периодов ЗС с двухлучевым электронным пучком с током 2×75 мА и ускоряющим напряжением 8.5 кВ коэффициент усиления превышает 30 дБ в полосе частот 91-96 ГГц. Выходная мощность в режиме насыщения превышает 50 Вт при мощности входного сигнала менее 100 мВт. 3. Оптимизирована конструкция лестничной замедляющей системы в волноводе с пазами. Для нее разработана система широкополосного согласования ЗС с входным и выходным прямоугольными волноводами. В полосе частот 91-108 ГГц потери на отражения не превышают –10 дБ, ослабление не превышает –5 дБ, т.е. не более –0.05 дБ на период. Разработана конструкция ЛБВ с двухлучевым ленточным пучком, состоящая из двух секций по 30 периодов ЗС с разрывом для предотвращения самовозбуждения. При токе пучка 2х100 мА, напряжении 13 кВ получен коэффициент усиления около 20 дБ в полосе шириной 5 ГГц. 4. Доработана конструкция электронной пушки с двухлучевым электронным пучком и планарным фокусирующим электродом в виде диафрагмы с двумя отверстиями. С помощью пакета CST проведено ее моделирование, найдены параметры, при которых происходит формирование пучка с суммарным током 106 мА, и при фокусировке однородным магнитным полем 0.84 Тл происходит транспортировка пучка без осаждения на стенки канала. 5. Отработана технология изготовления планарных ЗС на новой установке прецизионной лазерной микрообработки «МикроСЕТ РА» (ООО «Лазерный центр», Россия). Изготовлены макеты ЗС из медной фольги толщиной 0.2 мм, предварительно отожжённой в водородной печи: ЗС с гантелеобразными щелями и ЗС в виде меандра с опорами. Погрешность изготовления составляет не более 2%. 6. С помощью технологии 3D-печати с цифровой обработкой светом (DLP) изготовлена серия измерительных оснасток для исследования S-параметров ЗС с увеличенной толщиной металлизации 3-5 мкм. Шероховатость поверхности изготовленных структур уменьшается с ростом толщины металлизации и составляет 0.3-0.4 мкм. Для макета ЗС с гантелеобразными щелями ослабление составляет не более -10 дБ, КСВ ~ 2 в полосе 97-105 ГГц. 7. С помощью технологии микрофрезерования изготовлены цельнометаллические измерительные оснастки для измерения S-параметров в V-диапазоне из меди и алюминия. Для них шероховатость поверхности составила ~ 0.1 мкм. С их помощью были проведены измерения S-параметров ЗС типа меандр на диэлектрической подложке. Получены значения коэффициента отражения не более -10 дБ и затухание 0.2-0.4 дБ/период в диапазоне частот 45-70 ГГц. 8. Разработана магнитная фокусирующая система на постоянных магнитах из сплава NdFeB N52 с полюсными наконечниками из стальных пластин толщиной 3.5 мм. Магнитная система изготовлена и собрана вместе с разборным макетом для исследования транспортировки электронного пучка. Измерено значение магнитного поля на оси системы ~ 0.65 Тл, что несколько меньше расчетного значения 0.7 Тл, однако достаточно для транспортировки электронного пучка на требуемые расстояния порядка 3-5 см. 9. С помощью технологии лазерной микрообработки изготовлена электронная пушка, измерен ток до 120 мА. 10. На базе высоковольтного импульсного модулятора СВИП-15кВ-0.5А разработана схема измерений ВАХ электронной пушки в триодном режиме, когда напряжения на управляющую сетку и анод подаются независимо. Проведено измерение ВАХ в импульсном режиме, получен максимальный ток около 0.55 А. Проведено численное моделирование ВАХ с помощью пакета CST, в ходе которого было выяснено, что положение теневой сетки относительно катодных выступов оказывает существенное влияние на крутизну ВАХ. Определено положение теневой сетки, при котором наблюдается хорошее соответствие между расчетом и экспериментальными измерениями. В соответствии с планом работы было сделано 7 докладов на различных международных и всероссийских конференциях, в том числе, на крупных международных конференциях EDTM 2024 и PIERS 2024. На конференции VEDA 2024 была представлена пленарная лекция, посвященная исследованиям миниатюрных вакуумных электронных приборов ТГц диапазона.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Разрабатываемые в рамках проекта приборы типа лампы бегущей волны (ЛБВ) короткой части миллиметрового диапазона могут найти применение для различных приложений, прежде всего, в системах высокоскоростной беспроводной передачи данных. В том числе, широкополосные ЛБВ- усилители с мощностью 50-100 Ватт представляют особый интерес для систем космической связи (см. ниже п. 5.10). Российская электронная промышленность в настоящее время подобные приборы не производит. В результатах проекта заинтересованы прежде всего российские производители электровакуумных приборов, наиболее крупные из их — АО «НПП Алмаз» (г. Саратов), АО «НПП Исток» (г. Фрязино), АО «НПП Салют» (г. Нижний Новгород). В настоящее время прорабатывается вопрос о внедрении результатов проекта на предприятии АО «НПП Алмаз», см. ниже п. 5.11.