[논문 리뷰] Complex modes and new amplification regimes in periodic multi transmission lines interacting with an electron beam

Mohamed A. K. Othman, Venkata Ananth Tamma외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 11. 04.

Gyrotron and Vacuum Electronics Research참고 문헌 3인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 트래블링 웨이브 트랜스미터(TWT)를 위한 주기적 다중송신선선(MTL) 속도 감속 구조에서 전자 비ーム과의 다중모드 상호작용을 통해 일반화된 피어스 모델과 전달 행렬 분석을 활용한 새로운 증폭 제도를 제안한다. 이 제도는 밴드 에지 근처에서 발생하는 비퇴화 조건을 통해 복소 블로흐 파수를 가진 네 개의 동기화 모드를 가능하게 하여, 기존 TWT에서 하나의 증폭 모드만 존재하는 것과는 달리 두 개의 협동 증폭 모드를 유도한다. 이는 고출력 오실레이터에서 더 높은 이득과 더 낮은 작동 비드 전류를 가능하게 한다.

ABSTRACT

We present the theory of a new amplification regime in Travelling Wave Tubes (TWTs) composed of a slow-wave periodic structure that supports multiple electromagnetic modes that can all be synchronized with the electron beam. The interaction between the multimodal slow-wave structure and the electron beam is quantified using a Multi Transmission Line approach (MTL) based on a generalized Pierce model and transfer matrix analysis leading to the identification of modes with complex Bloch wavenumber. In particular, we address a new possible operation condition for TWTs based on the super synchronism between an electron beam and four modes exhibiting a degeneracy condition near a band edge of the periodic slowwave MTL. We show a phenomenological change in the band structure of periodic MTL where we observe at least two growing modal cooperating solutions as opposed to a uniform MTL interacting with an electron beam where there is rigorously only one growing modal solution. We discuss the advantage of using such a degeneracy condition in TWTs that leads to larger gain conditions in amplifier regimes and also to very lowstarting beam current in high power oscillators.

연구 동기 및 목표

• 주기적 다중송신선선(MTL) 구조에서 다수의 전자기 모드를 지닌 TWT에서 새로운 증폭 메커니즘을 탐색하기.
• 기존 TWT가 유일한 증폭 모드 해를 지닌다는 한계를 극복하기 위해 전자 비임과의 다중모드 동기화를 가능하게 하기.
• 밴드 에지 근처에서 발생하는 비퇴화 조건이 다수의 모드 협동 증폭을 가능하게 하는 잠재력을 조사하기.
• 이러한 다중모드 협동이 고출력 오실레이터 응용에서 더 높은 이득과 더 낮은 임계 비드 전류를 제공할 수 있음을 시연하기.

제안 방법

• 다중송신선선(MTL) 구조에 적합한 일반화된 피어스 모델을 수립하여 비드-웨이브 상호작용을 기술한다.
• 전달 행렬 분석을 적용하여 주기적 MTL의 전자기적 거동을 모델링하고 모드 특성을 추출한다.
• 주기적 구조의 분산 분 析를 통해 복소 블로흐 파수를 가진 모드를 식별하여 증폭 또는 감쇠를 나타낸다.
• 특히 밴드 에지 근처에서 모드 비퇴화가 발생할 때 전자 비임과 다수의 모드 간의 동기화 조건을 분석한다.
• 비드 상호작용 하에서 다수의 모드의 안정성과 증폭률을 평가하여 협동 증폭 제도를 식별한다.
• 현상학적 밴드 구조 분 析를 통해 비퇴화 조건 하에서 두 개의 별개의 증폭 모드 해가 나타나는 것을 밝혀낸다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 주기적 MTL 구조 내 다수의 전자기 모드가 동시에 전자 비임과 동기화되어 TWT에서 새로운 증폭 제도를 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 다중모드 MTL-TWT 시스템에서 다수의 증폭 모드가 발생하는 조건는 무엇이며, 단일모드 행동과는 어떻게 다를 수 있는가?
• RQ3 밴드 에지 근처에서 발생하는 모드 비퇴화가 시스템 내 증폭 해의 수와 증폭률에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 기존 단일모드 TWT에 비해 다중모드 협동은 이득과 임계 비드 전류 측면에서 어떤 이점을 제공하는가?
• RQ5 복소 블로흐 파수 형식은 주기적 MTL에서 협동 증폭의 시작을 정확하게 예측할 수 있는가?

주요 결과

• 이 연구는 주기적 MTL에서 네 개의 전자기 모드가 밴드 에지 근처의 비퇴화 조건으로 전자 비임과 동기화되어 새로운 작동 제도를 가능하게 한다고 규명하였다.
• 기존의 균일한 MTL가 유일한 증폭 모드 해만 지닐 수 있는 것과는 달리, 다중모드 MTL는 동일한 자극 조건 하에서도 최소 두 개의 별개의 증폭 모드 해를 나타낸다.
• 두 개의 협동 증폭 모드 존재는 밴드 구조에 상당한 현상학적 변화를 유도하여 비드에서 전자기장으로의 에너지 전달 효율을 향상시킨다.
• 비퇴화 조건은 진동을 위한 작동 비드 전류의 상당한 감소를 가능하게 하여 고출력 오실레이터 응용에 유리하다.
• 분석에서 복소 블로흐 파수의 사용은 다수의 모드 증폭 특성을 성공적으로 기록하여 협동 증폭 메커니즘 존재를 확인한다.
• 제안된 제도는 전자 비임과 다수의 모드 간 상호작용의 상호보완적 특성 덕분에 증폭기 구성에서 더 높은 이득을 제공할 잠재력을 지닌다.