Yürüyen dalgalı tüp kuvvetlendiricilerinde tek helisli yavaş dalgalı yapıların analizi, tasarımı ve incelenmesi
Analysis, design and investigation of single helix slow-wave structures in traveling wave tube amplifiers
Yazar: AGAH OKTAY ERTAY
Danışman: DOÇ. DR. SERKAN ŞİMŞEK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Telekomünikasyon Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Elektronik harp sistemleri = Electronic warfare systems ; Fotonik kristaller = Photonic crystals ; Güç kaynakları = Power sources ; Güç yükseltici = Power amplifier ; Radar = Radar ; Uydu haberleşme sistemleri =   ; Uydu iletişim sistemleri = Satellite communication systems

Özet:
Haberleşme uydularının vazgeçilmez elemanlarından biri olan yürüyen dalgalı tüp kuvvetlendiricileri, on yıllardır askeri ve sivil sistemlerde yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Belirtilen cihazlar istenen bilgi işaretlerinin istenen bölgeye arzu edilen kuvvetlendirme isterlerine sahip genlik ve fazda gönderilmesini sağlamaktadır. Yapısında birçok alt sistem bulunan ve her bir alt sisteminin oldukça karmaşık bir yapıya sahip olduğu bu cihazlar sadece haberleşme uydularında değil aynı zamanda radar ve elektronik harp sistemlerinde de geniş ölçüde kullanılmaktadır. Yürüyen dalgalı tüplerin çalışma mekanizmasındaki en önemli bileşenlerinden biri de yavaş dalgalı yapı düzenidir. Bu düzen içerisinde kullanılan periyodik yavaş dalga devresi olarak, çalışma isterlerine göre değişiklik göstermekle beraber, geniş band gerektiren uygulamalar için çoğunlukla helis tipinde devreler tercih edilmektedir. Bu tipteki devrelerin dispersiyon karakteristikleri, farklı formdaki dielektrik ve metal segment yüklemeleri ile kontrol edilebilmektedir. Arzu edilen frekans karakteristiğinin korunması açısından helisli yavaş dalgalı yapıların simetrik biçimde yüklenmesi oldukça önemlidir. Aksi durumda, belirtilen yükleme işlemleri sırasında malzeme özellikleri ve açısal yerleşimlerin farklılıklarından dolayı asimetrik yükleme durumları oluşabilmektedir. Oluşan asimetri sebebi ile, belirtilen yapıların pi-noktası frekansı civarında durdurma bandı oluşabilmektedir. Bu durum, band ucu osilasyonlarına ve band içi güç boşluklarının oluşmasına yol açmaktadır. Bu sebeple, belirtilen helisli yavaş dalgalı yapıların pi-noktası frekansı ve durdurma bandı analizleri ile amaca uygun pi-noktası frekansı ve durdurma bandı tasarımları oldukça önemli bir durum haline gelmektedir. 
Asimetrik yüklü helisli yavaş dalgalı yapıların pi-noktası frekansı ve durdurma bandlarının belirlenmesi için literatüre, tezden üretilen ve özgün yardımcı fonksiyonlar kazandırılmıştır. Önerilen yeni yöntem, farklı tipteki simetrik/asimetrik birim hücreli periyodik yapıların iletim/durdurma band bölgelerinin belirlenmesinde de kullanılabilmektedir. Bu bağlamda, belirtilen kapsamlı yöntem, dikdörtgen dalgakılavuzlarında ve fotonik kristallerde başarı ile uygulanmıştır. Ele alınan örneklerde, önerilen yeni yönteme ait sonuçlar, literatür ve lisanslı elektromagnetik benzetim programlarına ait sonuçlar ile doğrulanmıştır ve uyumlu sonuçlar elde edilmiştir. 
Tek Floquet modlu özdeğer denklemine band ucu koşullarının zorlanmasıyla yeniden formüle edilmiş ve ilk olarak asimetrik/simetrik birim hücreli helisli yavaş dalgalı yapıların pi-noktası ve durdurma bandlarının belirlenmesinde kullanılan yeni bir bilimsel yöntem önerilmiştir. Mümkün olabilen tüm asimetrik durumlar sırasıyla dielektrik yüklü, dielektrik ve metal segment yüklü helisli yavaş dalgalı yapılar için analiz edilmiştir. Ele alınan örneklerde uygulanan yeniden formüle edilmiş yöntem ile elde edilen sonuçlar, literatür sonuçları ile doğrulanmıştır ve tutarlı sonuçlar elde edildiği gözlenmiştir.
Amaca uygun pi-noktası frekansının belirlenmesi ve pi-noktası frekansı civarındaki durdurma bandlarının tasarımı için basit ve oldukça hızlı bir tasarım prosedürü önerilmiştir. Önerilen tasarım prosedürü için literatürde mevcut farklı parametre değerlerine sahip dikdörtgen ve dairesel dielektrik yüklü helisli yavaş dalgalı yapılar ele alınmıştır. Önerilen yöntemler ile elde edilen sonuçlar,  literatür ve lisanslı elektromagnetik benzetim ortamı sonuçları ile doğrulanmıştır ve uyumlu sonuçlar elde edilmiştir. 
Genişbandlı yürüyen dalgalı tüplerde kullanılan helisli yavaş dalgalı yapıların dispersiyon karakteristiklerinin belirlenmesinde hızlı ve etkili bir yöntem önerilmiştir. Belirtilen yöntem tek Floquet moduna ait özdeğer denkleminin çözümüne dayanmaktadır. Literatürde mevcut dikdörtgen, dairesel, T-çubuk ve dielektrik & metal segment yüklü helisli yavaş dalgalı yapıların dispersiyon karakteristikleri belirtilen yöntem kullanılarak elde edilmiştir. Ele alınan problemlerde önerilen yöntem ile elde edilen sonuçlar; literatürde mevcut deneysel, alan analizi sonuçları ve lisanslı elektromagnetik benzetim sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Önerilen yöntemin görece düz dispersiyon karakteristiğine sahip helisli yavaş dalgalı yapılarda daha uyumlu sonuçlar verdiği görülmüştür.

Abstract:
Sources of power are considerably required for design specifications of some applications such as radio and television boradcasting, microwave heating. Vacuum electron devices such as klystrons, magnetrons and traveling wave tubes are the most useful systems in order to overcome this problem. Invention of these devices can be ranging to the Second World War. The idea of interaction between electron beam and RF electromagnetic wave gave acceleration to development of vacuum electron devices especially traveling wave tubes.  
Traveling wave tube amplifiers which are one of indispensable devices of communication satellites are widely used in military and civil systems for decades. Indicated devices provide sending required information signals to required region with their appropriate amplifying specifications. These devices are not only widely used communication satellites but also radar and electronic warfare systems and consist of five main sections which are called electron gun, slow-wave structure, RF input/output couplers, focusing structure and collector. Electron gun generates and forms an electron beam as uniform as possible in order to send it into the slow-wave structure block. Slow-wave structure consists of a slow-wave circuit with symmetric placement dielectric materials in order to support it. Interaction between electron beam and RF electromagnetic wave takes place in this block. RF signals can be driven by using RF input/output couplers with matched impedance. Focusing structure has a confining role for electron beam in order to provide uniformity of it and not to touch helix slow-wave structure along the interaction region. Collector block has absorption and power recovery roles in order to collect spent electron beam which has residual electron energy and improve efficiency of traveling wave tubes. These devices can operate from frequencies under 1GHz to over 100 GHz. Capabilities of power production changes from watts to megawatts. Bandwidth of traveling wave tubes depends on electron beam properties and dispersion characteristics of slow-wave structures.
Slow-wave structure system is one of the most important components of the traveling wave tubes operation mechanism. Selection of periodic slow-wave circuit which is used in these systems, which depends on operation specifications, is generally helix type circuits for broadband applications. Dispersion characteristics of such types of circuits are controlled by loading with different forms of dielectric and metal segment configurations. Symmetrically loading of helix slow-wave structures is quite important in terms of acquiring proposed design objectives. Otherwise, asymmetrically loading cases can be revealed due to differences of material properties and angular placements during indicated loading processes. Stopband behavior can be occurred near the pi-point frequency of these structures due to existence of these asymmetries. These cases result in band edge oscillations and in-band power-holes in related helix traveling wave tubes. Occuring these issues restricts power capability of the traveling wave tubes. For this reason, analyses of pi-point frequency and stopbands of indicated helix slow-wave structures become a quite important case for traveling wave tubes. 
Auxiliary functions of generalized scattering matrix method (AFGSM) produced from PhD studies are brought into open literature for determination of pi-point frequency and stopbands of asymmetrically loaded helix slow-wave structures. This original method is based on the analysis of stored complex power in the unicell of a periodic structure. Symmetric unit cell assumption of the periodic structure is removed by obtaining this novel method. Hence, this proposed method has comprehensive approach with applicability to both symmetric and asymmetric unit cell configuration of the periodic structures. Proposed novel method can also be used for determination of passband/stopband regions of different types of periodic structures with asymmetric/symmetric unit cell configuration. In this context, indicated comprehensive method is successfully applied to periodically dielectric loaded rectangular waveguides and photonic crystals. Ladder circuit representation for single turn helix model of related helix slow wave structure is used in order to obtain generalized scattering matrix of helix unit cell configuration. Results from the proposed method are validated with results of literature and commercial electromagnetic simulation programs in considering examples and good agreement results are obtained. It is indicated that proposed auxiliary functions of generalized scattering matrix method is quite fast and simple to the other solutions methods.
A novel auxiliary functions of generalized scattering matrix method is proposed in order to determine pi-point frequency and stopbands of asymmetrically loaded helix slow-wave structures. Indicated original method is reformulated by enforcing band edge conditions into eigenvalue equation of single Floquet mode and successfully applied to determine pi-point frequency and stopbands of symmetric/asymmetric helix slow-wave structures. In order to test the validity of this reformulated method, related single turn helix is modeled as a ladder circuit at the pi-point frequency. All possible asymmetric cases such as angular offset of the rods, variations of support rod permittivity values and widths, angular offset of metal segments, variations in gap between helix to segment and segment width are analyzed for dielectric and dielectric & metal segment loaded helix slow-wave structures, respectively. Results obtained from applied reformulated method are validated with open literature and consistent results are observed. 
A simple and extremely fast design procedure are proposed for determination of pi-point frequency of helix slow-wave structures and design of stopbands near the pi-point frequency of asymmetrically loaded helix slow wave structures. Rectangular and circular dielectric loaded helix slow-wave structures which are available in open literature are considered for proposed design procedure. Each interested helix slow-wave structure is modeled as ladder circuit with its single turn approach. Results obtained from the proposed methods are validated with results from open literature and commercial electromagnetic simulation environment and good agreement are acquired. The results show that proposed design procedure is fast and simple to the other solution methods such as coupled mode analysis and commercial electromagnetic simulation program.
A fast and efficient method is proposed for determination of dispersion characteristics of helix slow-wave structures for broadband traveling wave tubes. Indicated method is based on the solution of eigenvalue equation of given periodic structure. Dispersion characteristics of rectangular, circular, T-shaped rod and dielectric & metal segment loaded helix slow-wave structures, which are in open literature, are obtained by using proposed method. Indicated helix slow-wave structures are represented as ladder circuit which can be obtained by slitting helix tape at the outer helix radius along the direction normal to the helix winding direction and flattening it out. Results obtained from the proposed method are compared with experiment, field analysis results which are available in open literature and commercial electromagnetic simulation program  for related problem. Percent error and average error calculations are performed between proposed method and other solutions such as field analysis, experiment and electromagnetic design environment. It is seen that proposed method gives more compatible results in helix slow-wave structures which has relatively flat dispersion characteristics.