Journal of Communications Technology and ElectronicsJournal of Communications Technology and ElectronicsРадиотехника и электроника0033-84943034-5901The Russian Academy of Sciences68475010.31857/S0033849424100077HPYSIGЭЛЕКТРОНИКА СВЧResearch ArticleMetamaterial-inspired slow-wave structures for w-band traveling-wave tubesЗамедляющие системы со свойствами метаматериалов для ламп бегущей волны w-диапазонаRostuntsovaA. A.РостунцоваА. А.
Russian Federation
rostuncova@mail.ruKolesnichenkoE. E.КолесниченкоЕ. Е.
Russian Federation
rostuncova@mail.ruRyskinN. M.РыскинН. М.
Russian Federation
rostuncova@mail.ruSaratov Branch Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics RASСаратовский филиал Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАНSaratov State UniversityСаратовский национальный исследовательский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского14102024691098298816062025Copyright ©; 2024, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2024, Российская академия наук2024Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://innoscience.ru/0033-8494/article/view/684750

Electromagnetic parameters of the ladder-type slow-wave structures (SWS) formed by a metal plate with periodically arranged slots of a certain shape placed in a waveguide are studied. Modifications of the ladder-type SWS associated with the complication of the slot shape or the waveguide shape are proposed in such a way that the frequency of the slot resonance is lower than the cutoff frequency of the waveguide, and the SWS exhibits the properties of a double-negative metamaterial. It is shown that the fundamental spatial harmonic is backward, while the +1st harmonic acquires normal dispersion and the beam-wave synchronism is possible in a sufficiently wide frequency band. SWS with dumbbell-shaped slots and SWS in a groove-loaded waveguide are designed for W-band traveling-wave tube (75…110 GHz) with a relative bandwidth of about 25% and operating voltages of 8…13 kV. In such structures, there is the possibility of interaction of a slow wave with two sheet electron beams propagating from above and below the plate.

Исследованы электродинамические характеристики лестничных замедляющих систем (ЗС), которые образованы металлической пластиной с периодически расположенными щелями определенной формы, помещенной в волновод. Предложены модификации лестничной ЗС, связанные с усложнением формы щелей в пластине или формы волновода таким образом, чтобы частота щелевого резонанса была ниже частоты отсечки волновода, при этом ЗС проявляет свойства дважды отрицательного метаматериала. Показано, что основная пространственная гармоника является обратной, в то время как на +1-й гармонике имеет место нормальная дисперсия и обеспечивается синхронизм пучка с волной в достаточно широкой полосе частот. Разработаны конструкции ЗС с гантелеобразными щелями и ЗС в волноводе с продольными пазами для лампы бегущей волны W-диапазона (75…110 ГГц) с относительной шириной полосы частот порядка 25% и рабочими напряжениями 8…13 кВ, в которых имеется возможность взаимодействия замедленной волны с двумя ленточными электронными пучками, распространяющимися сверху и снизу пластины.

slow-wave structuremetamaterialtraveling-wave tubemillimeter bandзамедляющая системаметаматериаллампа бегущей волнымиллиметровый диапазонРоссийский научный фондRussian Science Foundation22-12-00181Paoloni C. // IEEE Commun. Magaz. 2021. V. 59. № 5. P. 102. doi: 10.1109/MCOM.001.2000326Григорьев А.Д. Терагерцевая электроника. М.: Физматлит, 2020.Альтшулер Ю.Г., Татаренко А.С. Лампы малой мощности с обратной волной. М.: Сов. радио, 1963.Гершензон Е.М., Голант М.Б., Негирев А.А., Савельев К.С. Лампы обратной волны миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов волн / Под ред. Н.Д. Девяткова. М.: Радио и связь, 1985.Duan Z., Shapiro M.A., Schamiloglu E. et al. // IEEE Trans. 2019. V. ED-66. № 1. P. 207. doi: 10.1109/TED.2018.2878242Hummelt J.S., Lewis S.M., Shapiro M.A., Temkin R.J. // IEEE Trans. 2014. V. PS-42. № 4. P. 930. doi: 10.1109/TPS.2014.2309597Hummelt J. S., Lu X., Xu H. et al. // Phys. Rev. Lett. 2016. V. 117. № 23. P. 237701. doi: 10.1103/PhysRevLett.117.237701Lu X., Stephens J.C., Mastovsky I. et al. // Phys. Plasmas. 2018. V. 25. № 2. P. 023102. doi: 10.1063/1.5016545High Power Microwave Sources and Technologies Using Metamaterials / Ed. J.W. Luginsland et al. N.Y.: Wiley-IEEE Press, 2021.Jiang S., Tang X., Huang S. et al. // IEEE Trans. 2023. V. ED-70. № 3. P. 1306. doi: 10.1109/TED.2022.3233814Karp A. // Proc. IRE. 1957. V. 45. № 4. P. 496. doi: 10.1109/JRPROC.1957.278439Berry D., Deng H., Dobbs R. et al. // IEEE Trans. 2014. V. ED-61. № 6. P. 1830. doi: 10.1109/TED.2014.2302741Вендик И.Б., Вендик О.Г. // ЖТФ. 2013. Т. 83. № 1. С. 3.Yurt S.C., Elfrgani A., Fuks M.I. et al. // IEEE Trans. 2016. V. PS-44. № 8. P. 1280. doi: 10.1109/TPS.2016.2535305Catalan-Izquierdo S., Bueno-Barrachina J.-M., Cañas-Peñuelas C.-S., Cavallé-Sesé F. // Renew. Energies & Power Quality J. 2009. V. 1. № 7. P. 613. doi: 10.24084/repqj07.451Butcher P.N. // Proc. IEE. 1957. V. 104. Pt. B. № 14. P. 169. doi: 10.1049/pi-b-1.1957.0132Starodubov A.V., Galushka V.V., Ryskin N.M. et. al. // Proc. 2023 24th Int. Vacuum Electronics Conf. (IVEC). Chengdu 25-28 Apr. N.Y.: IEEE, 2023. Paper No. 10157320. doi: 10.1109/IVEC56627.2023.10157320Торгашов Р.А., Ножкин Д.А., Стародубов А.В., Рыскин Н.М. // РЭ. 2023. Т. 68. № 10. С. 992. doi: 10.31857/S0033849423100182