Введение. 
Моделирование электродинамических параметров многомодового двухзазорного резонатора для миниатюрных многолучевых приборов клистронного типа

Одной из актуальных задач СВЧ электроники является создание миниатюрных низковольтных многолучевых электровакуумных усилителей и генераторов коротковолновой части микроволнового диапазона на матричных автокатодах, использующих принцип клистронного взаимодействия [1]. Преимущества автоэлектронных катодов по сравнению с другими видами источников свободных электронов хорошо известны: высокая монохроматичность энергии электронов пучка, устойчивость к колебаниям температуры, малая чувствительность к радиации, безинерционность, высокая крутизна вольтамперных характеристик. В таких приборах целесообразно использовать миниатюрные электродинамические системы на печатных платах [2], которые изготавливались бы в едином технологическом цикле с катодами этих вакуумных интегральных схем.

Для миниатюрных вакуумных приборов клистронного типа такими системами являются двухзазорные полосковые резонаторы, выполненные на основе высокодобротной линии с подвешенной керамической подложкой [3, 4]. Малые габаритные размеры двухзазорного резонатора, выполненного на основе двухсторонней печатной платы, достигаются за счет сворачивания двойного внутреннего проводника линии в спираль. Обычно взаимодействие электронов с ВЧ полем двойного зазора в таком резонаторе осуществляется на низшем, противофазном виде колебаний, резонансная частота которого в основном зависит от длины внутреннего проводника, емкости зазора и диэлектрической проницаемости подложки.

При выбранных значениях диэлектрической проницаемости и емкости зазора, частота первого высшего синфазного вида колебаний отличается по частоте от основного вида в 1,5−1,8 раза и в основном она зависит от диаметра резонатора. Обычно синфазный вид колебаний в двухзазорных резонаторах является паразитным видом и при конструировании прибора его стараются подавить разными способами, а также исключить возможность настройки резонатора на кратные частоты. Однако режим с кратными частотами основного и первого высшего видов колебаний К=2 может быть полезно использован для повышения электронного КПД СВЧ приборов клистронного типа [5, 6]. Отметим, что более высокие по частоте объемные моды, а также высшие «полосковые» моды не представляют интереса для исследования, поскольку на них трудно обеспечить хорошее взаимодействие с многолучевым электронным потоком.

Однако разработка подобных резонансных систем для двухмодового режима работы СВЧ приборов наталкиваются на большие трудности, связанные со сложным спектром собственных частот и с неоднородным характером распределения ВЧ электрического поля.

Так как такие режимы для двухзазорного многоканального резонатора, выполненного на основе высокодобротной линии с подвешенной керамической подложкой, практически не исследованы, то проведение теоретических и экспериментальных исследований электродинамических характеристик резонаторов в многомодовом режиме, соответствующем одновременному возбуждению противофазных и синфазных ВЧ напряжений в двойном зазоре, представляет большой научный и практический интерес.

В статье приведены результаты 3-D численного моделирования с помощью программы Ansoft HFSS [7], а также результаты экспериментального исследования электродинамических свойств полуволнового двухзазорного резонатора с подвешенной керамической подложкой. Определены оптимальные параметры этой конструкции, позволяющие осуществить одновременное возбуждение на кратных частотах с кратностью (К=2).