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 25-72-00050
НазваниеРазработка и моделирование миниатюрной широкополосной лампы бегущей волны миллиметрового диапазона с периодической магнитной фокусировкой ленточного электронного пучка для высокоскоростных систем наземной и космической связи
Руководитель Торгашов Роман Антонович, канд. физ.-мат. наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А.Котельникова Российской академии наук , г Москва
Конкурс №110 - Конкурс 2025 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными, приоритетного направления деятельности Российского научного фонда «Поддержка молодых ученых»
Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-401 - Вакуумная и плазменная электроника, СВЧ-электроника
Ключевые слова Лампа бегущей волны, магнитная периодическая фокусирующая система, миллиметровый диапазон, ленточный электронный пучок, беспроводные системы связи
Код ГРНТИ29.35.45
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Проект направлен на решение фундаментальной проблемы современной СВЧ-электроники и радиофизики – разработку миниатюрного широкополосного усилителя когерентного электромагнитного излучения миллиметрового диапазона с выходной мощностью до 100 Вт. Миллиметровый или субтерагерцевый диапазон электромагнитного излучения на данный момент остается одним из наименее освоенных, что связанно с критическим снижением выходных мощностей приборов как вакуумной, так и твердотельной электроники при работе на частотах порядка 100 ГГц и выше. При этом приборы миллиметрового диапазона являются перспективными для использования в современных наземных и космических системах высокоскоростной беспроводной передачи данных. Также такие усилители могут найти себе применение в приборах спектроскопии, медицины, в различных устройствах обеспечения безопасности и противодействия терроризму.
Наибольший интерес для освоения миллиметрового диапазона электромагнитного излучения представляет лампа бегущей волны (ЛБВ) – прибор вакуумной СВЧ-электроники. ЛБВ-усилитель миллиметрового диапазона при возможных компактных размерах способен обеспечить высокие значения выходной мощности и коэффициента усиления в широком диапазоне рабочих частот. Также известно, что с ростом рабочих частот поперечные размеры приборов сокращаются, что ограничивает использование классических спиральных ламп, в силу трудности их изготовления и формирования электронных пучков со сверхвысокой плотностью тока. Преодоление указанных трудностей возможно с использованием пространственно-развитых замедляющих систем (ЗС), в которых взаимодействие возможно с ленточными высокоаспектными электронными пучками в широком диапазоне частот. Примером таких ЗС является сдвоенная гребенка в прямоугольном волноводе.
Конкретной целью проекта является разработка и исследование процессов электронно-волнового взаимодействия в миниатюрном ЛБВ-усилителе W-диапазона (75-110 ГГц) с ЗС типа сдвоенная гребенка, в которой взаимодействие возможно с пространственно-развитым ленточным электронным пучком с плотностью тока порядка 150 А/см^2 при напряжениях, не превышающих 15 кВ. Выходные характеристики соответствуют значениям выходной мощности до 100 Вт и ширине полосы усиления до 15 ГГц.
Одной из ключевых задач проекта является разработка периодической магнитной системы для фокусировки интенсивных ленточных электронных пучков. Применение таких фокусирующих электронно-оптических систем позволяет обеспечить миниатюризацию прибора, снизить его массу, а также обеспечить длительное электронно-волновое взаимодействие с целью повышения выходных характеристик прибора. В связи с этим в рамках выполнения проекта будут решаться следующие задачи:
1. Определение закономерностей процессов фокусировки и исследование влияния параметров ленточных электронных пучков на процессы транспортировки в пролетном канале миниатюрного ЛБВ-усилителя и на параметры магнитной системы с использованием различных методов и программных пакетов;
2. Разработка конструкции периодической магнитной системы для фокусировки интенсивных ленточных электронных пучков для взаимодействия в миниатюрной ЛБВ W-диапазона с рабочими напряжениями менее 15 кВ и ЗС типа сдвоенная гребенка;
3. Оптимизация конструкции ЛБВ с целью обеспечения стабильности процессов электронно-волнового взаимодействия и улучшения выходных характеристик ЛБВ (повышение выходной мощности, увеличение ширины полосы высоких значений коэффициента усиления);
4. Исследование процессов электронно-волнового взаимодействия в ЛБВ W-диапазона с ленточным электронным пучком и магнитной периодической фокусирующей системой с учетом реального распределения электронов по энергиям и углам влёта в пространство взаимодействия.
Решение указанного комплекса задач приведет к существенному продвижению в области создания миниатюрных мощных ЛБВ-усилителей миллиметрового диапазона, серийные аналоги которых на данный момент отсутствуют как в России, так и за рубежом.
Ожидаемые результаты
В ходе выполнения проекта будет развит научный задел для создания миниатюрного усилителя миллиметрового диапазона с широкой полосой усиливаемых частот и с выходной мощность до 100 Вт при рабочих напряжениях менее 15 кВ.
Конкретно ожидается получение следующих результатов:
1. Будут выявлены закономерности процессов транспортировки интенсивных ленточных электронных пучков в периодических фокусирующих магнитных полях в зависимости от энергетических, скоростных и геометрических параметров пучка. На основе чего будет разработана конструкция магнитной периодической фокусирующей системы.
2. Будет подробно исследовано влияние скоростного разброса и других параметров пучка на процессы электронно-волнового взаимодействия при фокусировке электронного потока внешними периодическими магнитными полями.
3. Будет предложена конструкция секционированной замедляющей системы для ЛБВ W-диапазона с ленточным электронным пучком и магнитной периодической фокусирующей системой для применения в современных системах беспроводной наземной и космической передачи данных. Будет проведена оптимизация и рассчитаны выходные параметры прибора.
Серийно производимые ЛБВ-усилители со сравнительно низкими значениями напряжений и высокими значениями выходной мощности в суб-ТГц диапазоне на данный момент отсутствуют. В рамках Проекта будет проводиться разработка конструкции ключевых узлов лампы с целью создания миниатюрного источника излучения с высокой выходной мощностью и длиной волны излучения порядка 3.3 мм. В частности, в ходе выполнения проекта будет решена важная задача, связанная с моделированием процессов транспортировки высокоаспектных ленточных электронных пучков в периодических магнитных полях и процессов электронно-волнового взаимодействия в миниатюрной ЛБВ W-диапазона. Проводимые исследования будут осуществляться с учетом возможности создания в дальнейшем предложенного прибора на основе современных технологий изготовления, а также коммерчески доступных материалов.
В итоге будет развит научный задел для создания конкурентноспособной продукции, применимой в современных системах высокоскоростной передачи данных нового поколения, что имеет существенное значения для социально-экономического развития российского общества.