Мощные малогабаритные источники субтерагерцевого излучения на основе ленточных электронных потоков для беспроводных систем высокоскоростной передачи данных

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 22-49-02017

НазваниеМощные малогабаритные источники субтерагерцевого излучения на основе ленточных электронных потоков для беспроводных систем высокоскоростной передачи данных

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 №63 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований международными научными коллективами» (DST)

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-303 - Сильноточная электроника и электроника больших мощностей

Ключевые слова высокоскоростные системы беспроводной передачи данных, электровакуумные микроволновые приборы, субтерагерцевый диапазон, ленточный электронный поток

Код ГРНТИ47.29.37

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на создание мощных компактных источников излучения суб-ТГц диапазона (90 ГГц и выше) для высокоскоростных систем беспроводной передачи данных. Подобные источники способны обеспечить передачу сигнала со скоростью 10 Гб/с и выше на большие расстояния. Они могут использоваться как для связи между базовыми станциями (point-to-point), так и для point-to-multipoint подключения «последней мили». В различных странах мира предпринимаются интенсивные исследования и разработки источников суб-ТГц диапазона, причем особое внимание уделяется диапазонам в которых имеют место минимумы поглощения (окна прозрачности) в атмосфере: 94 ГГц, 140 ГГц, 220 ГГц и др. Высокие уровни мощности с целью передачи сигнала на большие расстояния в этих диапазонах могут обеспечить исключительно приборы вакуумной СВЧ электроники. Создание подобных приборов является комплексной проблемой, которая включает разработку источника электронов с высокой плотностью тока, электронно-оптической системы (ЭОС), обеспечивающей транспортировку электронного пучка (ЭП) на расстояния порядка нескольких см, замедляющей системы (ЗС), обеспечивающей эффективное взаимодействие с ЭП, коллектора и т.д. Повышение частотного диапазона приводит к уменьшению поперечных размеров ЭП и электродинамических структур, что требует чрезвычайно высоких плотностей тока, создает проблемы с теплоотводом и т.д. Настоящий проект будет посвящен разработке приборов с ленточным ЭП с большим поперечным сечением и с ЗС типа гребенки или синусоидального волновода. Проект предполагает разработку приборов на основе традиционных термоэмиссионных катодов (ЛОВ генератор и ЛБВ усилитель) с мощностью 10 Вт и выше и импульсно-периодического генератора с «холодным» катодом на основе псевдоискрового разряда (pseudospark discharge) с киловаттным уровнем мощности. Подобные приборы могут также найти применение в системах дистанционного неразрушающего контроля, в радиоастрономии, спектроскопии и др. Сформированный в рамках проекта научный и технологический задел в дальнейшем позволит продвинуться в область более высоких частот и мощностей. Проект выполняется российским коллективом, который включает представителей академической (Саратовский филиал ИРЭ РАН), вузовской (СГУ имени Н.Г. Чернышевского) и отраслевой (АО НПП "Алмаз") науки, и индийским коллективом из Центрального научно-исследовательского института электроники (CSIR-CEERI), Пилани, Раджастан, Индия. Между ними в течение нескольких лет существует тесное сотрудничество.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Стародубов А.В., Торгашов Р.А., Галушка В.В., Павлов А.М., Титов В.Н., Рыскин Н.М., Абишек А., Кумар Н. Microfabrication, Characterization, and Cold-Test Study of the Slow-Wave Structure of a Millimeter-Band Backward-Wave Oscillator with a Sheet Electron Beam Electronics, Vol. 11, Art. no. 2858 (год публикации - 2022)
10.3390/electronics11182858

2. Стародубов А.В., Павлов А.М., Галушка В.В., Рыскин Н.М., Абишек А., Вишант Д., Кумар Н. Improved Microfabrication Process for the Interaction Structure for the Millimeter-Band Backward-Wave Oscillator Based on the High-Current-Density Pseudo Spark Sheet Electron Beam Source 2022 35th International Vacuum Nanoelectronics Conference (IVNC). Seoul, South Korea, P. 156-157 (год публикации - 2022)

3. Кумар Н., Вишант, Ранджан О., Абишек А., Стародубов А.В., Титов В.Н., Рыскин Н.М. A Technique for Planar Integration of Components of W-band Backward-Wave Oscillator to Eliminate Misalignment IEEE Electron Device Letters (год публикации - 2023)

4. Титов В.Н., Торгашов Р.А., Кумар Н., Ранджан О., Абишек А., Рыскин Н.М. Simulation of Sub-THz Backward-Wave Oscillators With a Self-Focused Pseudospark-Sourced Sheet Electron Beam 2023 24th International Vacuum Electronics Conference (IVEC), Р. 1-2. (год публикации - 2023)
10.1109/IVEC56627.2023.10157215

5. Торгашов Р.А., Стародубов А.В., Чистяков И.А., Титов В.Н., Золотых Д.Н., Навроцкий И.А., Рыскин Н.М. Development and Modeling of W-band Sheet-Beam Tubes with Grating Slow-Wave Structures 2023 24th International Vacuum Electronics Conference (IVEC), P. 1-2 (год публикации - 2023)
10.1109/IVEC56627.2023.10157084

6. Торгашов Р.А., Стародубов А.В., Чистяков И.А., Титов В.Н., Галушка В.В., Павлов А.М., Рыскин Н.М. Studying High-Power Miniature Millimeter-Band Tubes with Sheet Electron Beam 2022 IEEE 8th All-Russian Microwave Conference (RMC), P. 90-93 (год публикации - 2023)
10.1109/RMC55984.2022.10079590

7. Титов В.Н., Плоских А.Э., Рыскин Н.М. Study of beam–wave interaction in a sub-THz traveling wave tube with a converging sheet electron beam focused by a uniform magnetic field Electronics, Vol. 11, Art. no. 4208 (год публикации - 2023)
10.3390/electronics11244208

8. Стародубов А.В., Торгашов Р.А., Галушка В.В., Павлов А.М., Рожнев А.Г., Емельянов В.В., Рыскин Н.М., Абишек А., Вишант, Кумар Н. Study on a Microfabricated Slow-Wave Structure for the Millimeter-band Backward-Wave Oscillator Based on the Pseudospark-Source Electron Gun Twenty-Third IEEE International Vacuum Electronics Conference, P. 43-44 (год публикации - 2022)

9. Ранджан А., Абишек А., Кумар Н., Рыскин Н.М., Титов В.Н., Торгашов Р.А. Simulation and analysis of solid-state switch-based high voltage pulse power supply using Marx generator 2024 Photonics & Electromagnetics Research Symposium (PIERS). 21-25 April 2024. Chengdu, China, P. 1-8 (год публикации - 2024)
10.1109/PIERS62282.2024.10618835

10. Титов В.Н., Торгашов Р.А., Чистяков И.А., Стародубов А.В., Навроцкий И.А., Золотых Д.Н., Рыскин Н.М. Research on W-band sheet-electron-beam vacuum-tube power amplifier and oscillator 2024 49th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz). 1-6 Sept. 2024. Perth, Australia. (год публикации - 2024)
10.1109/IRMMW-THz60956.2024.10697697

11. Абрамов О.Р., Торгашов Р.А. Numerical simulation of a sheet-beam W-band traveling-wave tube with a double-grating slow-wave structure 2024 International Conference on Actual Problems of Electron Devices Engineering. September 26-27, 2024, Saratov, Russia. , P. 11-14 (год публикации - 2024)
10.1109/APEDE59883.2024.10715911

12. Рыскин Н.М., Ожогин И.С., Стародубов А.В., Сердобинцев А.А., Кожевников И.О., Галушка В.В., Емельянов В.В., Молчанов С.Ю., Бахтеев И.Ш. Using DLP 3-D printing for additive manufacturing of millimeter-band waveguides and slow-wave structures 2024 International Conference on Actual Problems of Electron Devices Engineering. September 26-27, 2024, Saratov, Russia., P. 81-84 (год публикации - 2024)
10.1109/APEDE59883.2024.10715885

13. Джаин С., Унадкат П., Шукла С., Сингх А.К., Рыскин Н.М., Кумар Н. Analysis of breakdown characteristics of a pseudospark-driven electron beam source IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 71, No. 11. P. 7094-7098. (год публикации - 2024)
10.1109/TED.2024.3462684

14. Стародубов А.В., Ожогин И.С., Сердобинцев А.А., Кожевников И.О., Титов В.Н., Галушка В.В., Бахтеев И.Ш., Молчанов С.Ю., Рыскин Н.М. Применение аддитивных технологий для быстрого прототипирования электродинамических структур миллиметрового диапазона Известия вузов. Радиофизика (год публикации - 2024)

15. Рыскин Н.М., Ожогин И.С., Стародубов А.В., Сердобинцев А.А., Кожевников И.О., Бахтеев И.Ш., Молчанов С.Ю., Вишант, Абишек А., Кумар Н. Microfabrication of prototypes of millimeter-band electromagnetic components by using DLP 3D printing and magnetron sputtering 2024 8th IEEE Electron Devices Technology & Manufacturing Conference (EDTM). 3-6 March 2024. Bangalore, India., P. 577-579. (год публикации - 2024)
10.1109/EDTM58488.2024.10511688

16. Рыскин Н.М., Титов В.Н., Торгашов Р.А., Унадкат П., Вишант В., Абишек А., Кумар Н. 3-D particle-in-cell modeling of the plasma-assisted sub-THz backward-wave oscillator 2024 Photonics & Electromagnetics Research Symposium (PIERS). 21-25 April 2024. Chengdu, China. , P. 1-5 (год публикации - 2024)
10.1109/PIERS62282.2024.10618590

17. Стародубов А.В., Сердобинцев А.А., Галушка В.В., Кожевников И.О., Аманов Т.М., Титов В.Н., Ожогин И.С., Чернзубкина К.С., Герман С.В., Молчанов С.Ю., Бахтеев И.Ш., Рыскин Н.М. Prototyping of electromagnetic components of sub‑terahertz vacuum electron devices Progress in Additive Manufacturing, Vol. 10., 15 р. (год публикации - 2024)
10.1007/s40964-024-00797-5

18. Титов В.Н., Чистяков И.А., Навроцкий И.А., Золотых Д.Н., Торгашов Р.А., Абрамов О.Р., Горшкова Е.В., Емельянов В.В., Рыскин Н.М. Разработка лампы бегущей волны W-диапазона с ленточным электронным пучком и замедляющей системой типа сдвоенная гребенка Радиотехника и электроника, Т. 69, № 7 (год публикации - 2024)

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Проект направлен на создание мощных компактных источников излучения суб-ТГц диапазона (90 ГГц и выше) для высокоскоростных систем беспроводной передачи данных. Подобные источники также могут найти приложение в системах дистанционного неразрушающего контроля, в радиолокации высокого разрешения, спутниковой связи и др. Основной интерес представляют широкополосные усилители типа лампы бегущей волны (ЛБВ) и генераторы типа лампы обратной волны (ЛОВ), обеспечивающие широкополосную электронную перестройку частоты. Проект выполняется российским коллективом, который включает представителей академической (Саратовский филиал ИРЭ РАН), вузовской (СГУ имени Н.Г. Чернышевского) и отраслевой (АО НПП «Алмаз») науки, и индийским коллективом из Центрального научно-исследовательского института электроники (CSIR-CEERI), Пилани, Раджастан, Индия. Исследования проводились по двум основным направлениям: а) разработка широкополосного ЛБВ-усилителя W-диапазона (90-100 ГГц) на основе традиционных термоэмиссионных катодов с мощностью свыше 50 Вт; б) разработка импульсно-периодического ЛОВ генератора с «холодным» катодом на основе псевдоискрового разряда с уровнем мощности в десятки кВт. Исследования включали разработку основных компонентов приборов: источников электронов с высокой плотностью тока, электронно-оптической системы (ЭОС), обеспечивающей транспортировку электронного пучка (ЭП), вакуумного окна, замедляющей системы (ЗС), обеспечивающей эффективное взаимодействие с ЭП с ВЧ-полем. Получены следующие основные результаты: 1. Разработаны секционированные конструкции ЛБВ-усилителя W-диапазона с ЗС типа сдвоенной гребенки, состоящие из двух идентичных секций с разрывом для предотвращения самовозбуждения и выходной секции с понижением фазовой скорости для поднятия выходной мощности и КПД. Рассмотрены конструкции как с ленточным, так и с цилиндрическим электронным пучком. Проведена оптимизация разработанных конструкций, что позволило получить коэффициент линейного усиления 30 дБ в полосе частот по уровню -3 дБ шириной 17 ГГц (86-103 ГГц). В нелинейном режиме выходная мощность превышает 50 Вт практически во всей рабочей полосе частот. 2. Проведено трехмерное PIC-моделирование мощного ЛОВ-генератора W-диапазона с ЗС типа сдвоенной гребенки и ионной фокусировкой ленточного электронного пучка. Моделирование включало процессы ударной ионизации газа и образования ионного канала. Исследована зависимость режимов генерации от давления газа. При параметрах пучка (ток 6 А, напряжение 30 кВ), соответствующих параметрам источника электронов, разработанного индийской стороной, мощность генерации может достигать 30-40 кВт, однако генерация начинает носить нестационарный характер. 3. С помощью технологии стереолитографической DLP 3D-печати с последующей металлизацией магнетронным напылением были изготовлены макеты прямых волноводных секций и замедляющих систем типа гребенки V (45-70 ГГц) и W (75-110 ГГц) диапазонов. Проведены измерения электродинамических характеристик ЗС. После доработки конструкции и увеличения толщины металлизации до 5 мкм достигнуто хорошее соответствие результатов измерений и численного моделирования. Потери на передачу составляют примерно –3 дБ для ЗС V-диапазона, и -7.5 дБ для ЗС W-диапазона. Погрешность изготовления не превышает 3%. 4. Разработана конструкция вакуумного ВЧ блока для ЛБВ W-диапазона. Изготовлены макеты ЗС, проведены измерения их S-параметров, которые хорошо согласуются с результатами численного моделирования. Получен коэффициент отражения менее -10 дБ на частотах 90-110 ГГц. Выполнена пайка двух частей, из которых собирается макет, с получением вакуумно-плотного соединения. 5. Изготовлена магнитная система на постоянных магнитах из сплава NdFeB N52. Магнитное поле на оси системы составляет примерно 0.65 Тл. Также изготовлена миниатюрная периодическая фокусирующая система на постоянных магнитах и оснастка для ее сборки и измерения магнитного поля. Пиковое значение продольной компоненты магнитного поля на оси составляет 0.37Тл. 6. Изготовлена электронная пушка, формирующая сходящийся электронный поток с током 0.1 А, диаметром около 0.15 мм. Конструктивные элементы пушки (катод, фокусирущий электрод, катододержатель) изготовлены с помощью лазерной микрообработки. Проведена сборка пушки с макетом для изучения транспортировки электронного пучка и магнитной системой. 7. Предложена технология изготовления вакуумного окна с помощью лазерной микрообработки и магнетронного напыления. Изготовлены макеты окна из сапфировой пластины толщиной 0.2 мм в прямоугольном волноводе сечения WR-10, между которыми обеспечено вакуумно-плотное соединение. 8. Разработана установка для измерения входной и выходной СВЧ мощности усилителя W-диапазона, позволяющая проводить измерения пиковой и средней мощности в диапазоне от 100 мкВт до 100 Вт. Также она может служить в качестве скалярного измерителя коэффициентов передачи и отражения СВЧ устройств W-диапазона. Установка обеспечивает мощность входного сигнала до 100 мВт. С ее помощью проведены тестовые измерения S-параметров ЗС типа гребенки W-диапазона, получено хорошее соответствие с результатами измерений на сертифицированном оборудовании АО «НПП Алмаз». В соответствии с планом работы сделано 9 докладов на представительных международных и всероссийских конференциях, в том числе, на 8th IEEE Electron Devices Technology & Manufacturing Conference (EDTM), Бангалор, Индия, 2024 Photonics & Electromagnetics Research Symposium (PIERS), Чэнду, Китай, 3rd International Conference on 3D Printing & Additive Manufacturing, Рим, Италия и др. В частности, на конференции EDTM был сделан приглашенный (Invited) доклад, посвященный изготовлению электродинамических структур с помощью 3D печати.

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. 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. 5.10.