Відкриті резонансні системи з дисперсійними дзеркалами в приладах мм та субмм діапазонів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна Академія наук України

Інститут радіофізики та електроніки ім. О.Я.Усикова

УДК 537.86+621.373.14

Відкриті резонансні системи з дисперсійними дзеркалами в приладах мм та субмм діапазонів

01.04.03 - радіофізика

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора фізико-математичних наук

Фісун Анатолій Іванович

Харків 1999

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті радіофізики та електроніки ім.О.Я. Усикова Національної Академії наук України

Захист відбудеться 21 жовтня 1999 року об 11 годині на засіданні Спеціалізованої вченої ради Д64.157.01 в Інституті радіофізики та електроніки ім.О.Я.Усикова НАН України (310085, Харків-85, вул. Ак. Проскури, 12).

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Інституту радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України (310085, Харків-85, вул. Ак. Проскури, 12).

Автореферат розісланий “ 20 ” вересня 1999 р.

Т.в.о. вченого секретаря Спеціалізованої ради, д.ф.-м.н. О.Я.Кириченко

фізичний коливання резонатор

Анотація

Фісун А.І. Відкриті резонансні системи з дисперсійними дзеркалами в приладах мм та субмм діапазонів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.03. - радіофізика.

Інститут радіофізики та електроніки ім.О.Я.Усикова НАН України, Харків 1999р.

Дисертація присвячена вивченню коливальних процесів у відкритих резонаторах з дисперсійними елементами. В роботі розвинуто новий напрямок в дослідженні відкритих резонаторів з додатковим обмеженням резонансного простору та трансформацією імпедансу. Запропоновано новий підхід до аналізу механізмів формування коливань, що має в собі хвилеводну модель та метод узагальненої матриці розсіювання як математичне обгрунтування. Проведена класифікація типів коливань. Виявлені та досліджені раніше не відомі типи коливань, серед яких слід виділити коливання, що одержали назву квазіосновних і мають аномально високу добротність.

На основі досліджень розроблено ряд квазіоптичних твердотільних генераторів зі сферокутовоешелетним ВР в діапазоні 8 - 1 мм з високою стабільністю та пониженим рівнем частотного шуму. Дано обгрунтування використання розроблених резонаторів в електровакуумних резонансних генераторах, наприклад, оротронах та перспектив просування данних методів в субмм діапазон.

Ключові слова: квазіоптичний відкритий резонатор, дифракційні грати, міліметровий та субмм діапазон, спектр вакуумних коливань, квазіодночастотний режим, квазіоптичний твердотільний генератор, оротрон.

Аннотация

Фисун А.И. Открытые резонансные системы с дисперсионными зеркалами в приборах мм и субмм диапазонов - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук по специальности 01.04.03 - радиофизика.

Институт радиофизики и электроники им. А.Я.Усикова НАН Украины, Харьков 1999г.

Диссертационная работа посвящена изучению колебательных процессов в открытых резонаторах с дисперсионными элементами и разработке основ создания квазиоптических твердотельных источников и электронно-вакуумных резонансных генераторов мм и субмм диапазонов волн. В диссертации развито новое направление исследования открытых резонаторов с дополнительными ограничениями резонансного пространства и трансформацией импеданса. Предложен новый подход в теоеретическом анализе механизмов формирования колебаний, в основу которого положена модифицированная волноводная модель открытого резонатора. Выделен класс резонаторов, образующие поверхности которых аппроксимируются ступенчато-деформированными стенками волноводной модели. Выбранная модель содержит две идеи: физическую - интерпретацию собственных (и вынужденных) колебаний открытого резонатора - как "запертых" в результате сильного отражения от открытых концов во внутреннем объеме модели на критических частотах ,и методическую - принцип декомпозиции, который в данной работе впервые распространен на область резонансных систем квазиоптики и метод обобщенной матрицы рассеяния, как эффективное средство анализа сложных электродинамических узлов. Реализация этого подхода осуществлена системой электродинамического моделирования СЭМ-04. В колебательных системах с дополнительным ограничением резонансного пространства, типичным примером которых является сфероуголковоэшелеттный открытый резонатор, предложенный в данной работе, обнаружены и исследованы не известные ранее типы колебаний. Среди них следует выделить, так называемые, квазиосновные, имеющие аномально высокую добротность. Предсказаны и впервые экспериментально обнаружены и исследованы Е-поляризованные колебания в эшелеттных открытых резонаторах. Характерными для этого режима возбуждения являются квазиосновные и связанные, а также эшелетт-эшелеттные типы колебаний. Выявлен механизм возбуждения колебаний в данных системах, одним из основных является переотражение волноводных волн на ступенях - неоднородностях в волноводной модели. Область вблизи зеркала, имеющего дополнительное ограничение резонансного пространства, является трансформатором импеданса. Экспериментально исследован режим, близкий к одномодовому, в резонаторах с волноводными решетками, такими как гребенчатые отражательные дифракционные решетки.

Проведенные исследования послужили базой для разработки ряда квазиоптических твердотельных генераторов со сфероуголковоэшелеттным ОР в диапазоне 8 - 1мм, которые имеют высокую стабильность и пониженный уровень частотных шумов (до -120 дБ при расстройке на 10 кГц от несущей частоты). Обоснованы рекомендации по использованию разработанных резонаторов в электровакуумных резонансных генераторах, что позволяет сохранить высокий уровень когерентности сигнала при повышении уровня генерируемой мощности до 15-20 Вт. Исследованы перспективы применения многозеркальных колебательных систем в смесителях, волномерах и других приборах, а также перспективы продвижения данных методов в субмм диапазон.

Ключевые слова: квазиоптический открытый резонатор, дифракционные решетки, мм и субмм диапазоны, спектр вынужденных колебаний, квазиодночастотный режим, квазиоптический твердотельный генератор, оротрон.

Abstract

A.I.Fisun Open resonance systems with dispersive mirrors for millimeter and submillimeter wave band devices. - Manuscript.

Thesis for a doctor's degree by speciality 01.04.03 - radiophysics.

Usikov's Institute radiophysics and electronics of National Academy of Science of Ukraine, Kharkov, 1999.

The dissertation is devoted to investigate oscillating processes for the open resonators with dispersive elements and to elaborate the quasi-optical electromagnetic wave sources. A new line of investigation of the open resonators with the additional restriction of resonant space and the impedance transformation has been developed in this thesis. It is founded on the waveguide resonator model and generalized scattering matrix method. A new theoretical approach of the analysis of the oscillatory processes forming has been suggested. The mode classification of the open resonator with restriction has been realized. So colled “quasi-fundamental mode oscillations” was unknown early. They have an abnormally high Q-factor.

The investigations performed are a basis for design of set of the quasi-optical solid-state generators with sphere-corner-echelette open resonator in the range from 8 to 1 mm wavelength, which have a high stability and low frequency noise. The implementation of this technique for electron vacuum resonant tubes, such as orotrons, has made a high radiation coherence possible on the high output power. The outlook of the developed method was defined for the submm waveband.

Key words: quasi-optical open resonator, diffraction grating, mm and submm wavebands, forced oscillations spectrum, quasi-monofrequency excitation, quasi-optical solid-state generator, orotron.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Останні десятиріччя розвиток експериментальної радіофізики в значній мірі пов'язаний з освоєнням короткохвильової частини міліметрового (мм) та субміліметрового (субмм) діапазонів радіохвиль. Якщо при започаткуванні цього напрямку поштовхом було використання цих хвиль переважно в розв'язанні наукових задач, якими є спектроскопія, діагностика плазми, радіоастрономія, то в подальшому з'явились і суто радіофізичні та прикладні проблеми - розробка засад та апаратури для дослідження розповсюдження цих хвиль в атмосфері, а також розвиток систем радіолокації, навігації і звязку.

Одним з аспектів проблеми освоєння мм та субмм діапазонів являється розробка елементної бази, зокрема хвилеводних структур та джерел електромагнітного випромінювання.

Перехід до відкритих хвилеводів (ВХ) та відкритих резонаторів (ВР) в цих діапазонах був альтернативним використанню одномодових екранованих структур, густота спектру та енергетичні втрати в яких збільшуються по мірі зростання частоти коливань. Таким чином, для широкого кола задач фізики та техніки мм і субмм діапазонів установились квазіоптичні принципи побудови елементної бази, в тому числі хвилеводних структур та джерел електромагнітного випромінювання.

Відкриті коливальні структури, до яких відносяться ВР, є одними із головних і найбільш поширених елементів і використовуються як коливальні контури квазіоптичних твердотільних генераторів (КТГ), резонансних елетровакуумних приладів (ГДВ) - оротронів, в резонансних хвилемірах та іншій вимірювальній техніці. Утворені рівними сферичними, циліндричними та плоскими дзеркалами ВР, як аналоги класичного інтерферометра Фабрі-Перо, широко використовуються в газових та твердотільних квантових генераторах (ОКГ). В цих приладах в значній мірі розв'язана проблема узгодження коливального контура і активного середовища, що однорідно та рівномірно розосереджене по всьому об'єму ВР.

Оскільки в квазіоптичних твердотільних генераторах, що мають унікальні спектральні характеристики, використовуються зосереджені збудники - діоди Ганна та ЛПД, діоди Шотткі чи НВЧ-транзистори, - потрібні і радикально нові підходи до вибору відкритих коливальних систем, обгрунтування їх використання та нові методи теоретичного і експериментального їх вивчення.

Зформулюємо основні вимоги, що висуваються щодо коливальної системи КТГ та резонансних квазіоптичних електровакуумних джерел:

висока добротність робочого типу коливань та додаткові селективні якості, чим забеспечується завуження лініі генерації, низький рівень частотних шумів та сталість збудження генерації;

можливість узгодження імпедансів коливального контура та активного середовища (діод чи електронний пучок), що забезпечує високі енергетичні параметри, та м'які режими збудження;

зменшення геометричних розмірів та технічна можливість розміщення активного середовища в резонансному просторі ВР без погіршення електродинамічних якостей ВР.

Перераховані якості коливальних систем та вимоги щодо їх використання в КТГ та ГДВ є суперечними, що переводить задачу синтезу ВР для квазіоптичних джерел мм та субмм хвиль в розряд багатопараметричних. Слід очікувати, що методи теоретичного дослідження цих систем потребують розвитку і вдосконалення. Незважаючи на актуальну необхідність в розширенні експериментальних методів, в пошуці нових методів теоретичного дослідження фізичних процесів формування коливань в відкритих структурах, що поєднують в собі високі селективні якості, високу добротність та можливість трансформації імпедансу і компресії електромагнітного поля, цей напрямок на момент розгортання даної роботи був розвинутий недостатньо.

Зв'язок роботи є науковими програмами, планами, темами. Робота є складовою частиною комплексної науково-дослідної програми ІРЕ НАН України "Фундаментальні дослідження в галузі міліметрових та субміліметрових хвиль і використання цих результатів у народному господарстві". Результати дисертаційної роботи є складовою частиною НДР, виконаних в відділі "Твердотільна електроніка" і входять в науково-технічні звіти №ГР81.093.674 (т.1 і 2) 1985р., №ГР10.086.500 1990р. і №ДР01.920.000605 1993р.

Мета і задачі дослідження. Мета полягає в визначенні та узагальненні основних фізичних властивостей та явищ, що формують коливальні процеси у відкритих квазіоптичних коливальних структурах з дифракційними гратками та додатковим обмеженням резонансного простору, в синтезі нових ВР, структура яких обумовлена проведними дослідженнями, а також у вивченні закономірностей взаємодії поля цих коливальних систем з активними і пасивними нелінійними твердотільними середовищами та електронними пучками і розробці квазіоптичних резонансних джерел випромінювання з поліпшеними спектральними та енергетичними характеристиками; в оцінці перспектив розвитку та просування в короткохвильову область мм та субмм діапазони резонансних квазіоптичних генераторів, що в цілому характеризується як перехід на якісно новий рівень в створенні квазіоптичних резонансних джерел випромінування та їх коливальних систем.

Основними задачами, що вирішувались продовж досягнення вказаної цілі, є:

створення методології моделювання фізичних процесів збудження коливань в ВР, що мають ступінчасто деформовані дзеркала. Особлива увага звертається на адекватність моделі та реальних ВР, та на апробацію моделі на відомих електродинамічних структурах;

детальний аналіз за допомогою розробленого підходу та інших модифікованих методів узагальнених електродинамічних якостей ВР зі ступінчатими неоднорідностями, експериментальна перевірка цих результатів і синтез нових багатофункціональних ВР, які мають ознаки, важливі для використання їх в КТГ та електровакуумних приладах мм і субмм діапазонів;

створення та дослідження КТГ, ГДВ-оротрону та інших приладів на основі ВР з додатковим обмеженням резонансного простору. Оцінка перспективи просування розроблених ВР в субмм діапазон та використання їх для діагностики нелінійних низькоімпедансних середовищ.

Наукова новизна одержаних результатів.

В роботі розвинуто і апробовано новий, точно обгрунтований підхід до теоретичного аналізу квазіоптичних резонансних систем з дисперсійними дзеркалами, основою якого є хвилеводна модель Л.А.Вайнштейна. Вона модифікована таким чином, що дисперсійні дзеркала ВР моделюються як ступінчасто деформовані стінки хвилеводу. Фізичним аспектом цієї моделі є хвилеводна концепція "утримування" поля в резонансному об'ємі ВР на частотах, що близькі до критичних. Методичним забеспеченням запропонованого підходу є метод узагальненої матриці розсіювання та принципи декомпозиції, що вперше застосовані для аналізу резонансних систем зі значно розвинутою просторовою топологією. Подальший синтез систем з ключових блоків, S-матриці яких відомі, дозволив дослідити цілий ряд задач збудження коливань у відкритих коливальних системах.

Введено визначення ВР з додатковим обмеженням резонансного простору. В резонаторах цього типу зв'язок з зовнішнім простором залежить від конфігурації дзеркала. В зв'язку з цим з'являється можливість керування дифракційними втратами та спектральними характеристиками. За допомогою теоретичного дослідження виявлено, що для ВР з додатковим обмеженням резонансного простору характерною є властивість компресії поля з периферії до центру ВР для деяких типів коливань та властивість послідовної трансформації поля ВР в поле хвилеводного типу. Ці властивості дають змогу селективно підвищити добротність типу коливань, для якого компресія поля існує. Виявлено механізм компресії поля, який пов'язаний з трансформацією хвилеводних типів хвиль на періодичній системі ступінчастих деформацій дзеркала. Трансформація поля важлива також для узгодження імпедансів ВР та активних і пасивних нелінійних середовищ.

Теоретично передбачено та вперше експериментально досліджено збудження Е-поляризованих коливань в ВР з кутовоешелетним дзеркалом, який є типовим прикладом ВР з додатковим обмеженням резонансного простору. Проведена загальна систематизація та класифікація Е- і Н-поляризованих коливань ВР з кутовоешелетним дзеркалом, в основу якої покладені топологія полів коливань та механізми їх збудження. Серед досліджених типів коливань слід виділити квазіосновні типи коливань для обох поляризацій з аномально високою добротністю, що перевищує добротність основних класичних типів коливань. Поля квазіосновних типів формуються під впливом що найменше двох факторів: дифракційних якостей граток та трансформації хвилеводних типів хвиль на ступенях деформованого дзеркала.

Вперше експериментально одержано режим збудження ВР, близький до одночастотного. Умовою для одержання одночастотного або близького до одночастотного режиму збудження ВР є використання дифракційних граток з високою кутовою добротністю, наприклад гребінчатих, в спектрі яких є області збудження хвилеводних хвиль. Неочевидною є скісна установка гребінчатої решітки відносно осі ВР, при якій кутова дисперсія і добротність автоколімаційного відбиття є максимальними. На відміну від широковідомого раніше способу установки дифракційної решітки (кут між віссю ВР та нормаллю до решітки дорівнює нулю), при скісній установці, окрім зростання добротності, збудження ВР на вищих гармоніках повністю вилучається.

Сформульовані основні положення щодо розробки КТГ та резонансних електровакуумних генераторів-оротронів з дисперсійними ВР. Вони торкаються питань підвищення спектральних та енергетичних характеристик та просування в більш короткохвилеві діапазони. В квазіоптичних резонансних джерелах мм випромінювання вперше реалізовано багатоланкове узгодження імпедансів активного середовища та коливального контуру. Воно виконується завдяки введенню проміжних низькодобротних резонансних елементів в систему "активне середовище - коливальний контур". Функції узгоджувальної ланки в ВР з додатковим обмеженням виконує дзеркало - трансформатор.

Визначена перспектива просування квазіоптичних твердотільних та інших резонансних приладів в короткохвильову частину мм і субмм діапазонів. Показано, що відсутні принципові та технологічні обмеження на розробку за допомогою методу масштабування ВР з дисперсійними елементами та додатковим обмеженням резонансного простору до частот 300-600 ГГц. В виготовленні активних та узгоджувальних елементів найбільш перспективними є планарні технології.

Показано, що відкриті коливальні структури з трансформацією імпедансу являються перспективним інструментом для дослідження електрофізичних явищ в мм та субмм діапазонах в низькоімпедансних нелінійних середовищах, зокрема в плазмі твердого тіла, ВТНП-плівках, поглинаючих рідинах, тощо.

Практичне значення одержаних результатів заключається в тому, що вони складають наукову основу та практичні рекомендації щодо розробки ефективних коливальних систем для КТГ і оротронів мм і субмм діапазонів з метою підвищення спектральних якостей випромінювання, підвищення КПД та досягнення максимальних частот генерації. Розроблений в дисертації точний підхід до рішення неоднорідної задачі збудження ВР може бути розповсюдженний на аналіз квазіоптичних коливальних структур з різномасштабними відносно довжини хвилі складовими частинами. Відсутність обмежень на розміри (окрім необмежених апертур) дозволяє оперувати цим підходом в аналізі дисперсійних ВР з мінімальними апертурами (, де точна теорія дифракції хвиль на гратах працює незадовільно. Визначена доцільність використання запропонованих в даній роботі нових типів ВР в приладах різного призначення. Визначена можливість когерентного складання потужностей окремих квазіоптичних генераторів на зовнішньому просторі, що можливе як застосування в антенній техніці.

Генератори, розроблені в широкому інтервалі частот на основі квазіоптичного сферокутовоешелетного ВР, що запропонований автором, використовуються в наукових дослідженнях, що проводяться в РІ НАН України (м.Харків) як гетеродини з низьким рівнем ЧМ-шумів, в Інституті фізики напівпровідників Сибірського відділення РАН (м.Новосибірськ) для наукових досліджень, в НДІ Радіоприлад (м. Москва) як джерела накачки параметричних підсилювачів.

Особистий внесок здобувача. В дисертаційній роботі узагальнені матеріали досліджень, що являють результат багаторічної самостійної роботи автора. В дисертацію ввійшли також результати, одержані в співавторстві при його безпосередній участі. Із спільних публікацій використані тільки ті матеріали, в які автором зроблено визначний внесок, тобто, постановка задачі та мета дослідження, обговорення теоретичного і експериментальних методів вирішення проблеми, фізична інтерпретація та узагальнення результатів. Автор був ініціатором більшості сумісних робіт. Фізичні ідеї, методи їх дослідження, наукові висновки та положення, що виносяться на захист, належить автору особисто.

Апробація результатів дисертації проводилася на більш як 20 національних та міжнародних семінарах, конференціях та сімпозіумах:

2-й Вс. симпозиум "Эффект Ганна и его применение" (Новосибирск, 1982г.),

Х Вс. научная конф. "Электроника СВЧ" (Минск, 1983г.),

Х1 Вс. научная конф. "Электроника СВЧ" (Орджоникидзе, 1986г.),

6-th Int. School on Microwave Physics and Technics (Varna, Bulgaria, 1989),

3-я Вс. школа по распростран.мм и субмм волн в атм.(Харьков, 1989г.),

Рабочее совещание научно-технич.совета по ВТСП (Н-Новгород, 1990г.),

I Int. Conf. on MM-Wave and Far.Infr. Technology (China, 1990),

Krajowe Simp. Telecomunicacji (Polska, Bydgoszcz, 1990),

IV Вс. школа по распростр. мм и субмм волн в атм.(Н-Новгород, 1991г.),

Вс.н.-т.совещание "Малошумящие генераторы" (Иркутск, 1991г.),

1 Украинский симп."Физика и техн. мм и субмм волн" (Харьков, 1991г.),

2-nd Int. Conf. on MM-Wave and Far.Infr.Technology (China, Beijing, 1992),

17-th Int. Conf. on IR and MM-Waves (USA, Passadena, 1992),

23-rd European Microwave Conf. (Spain, Madrid, 1993),

18-th Int. Conf. on IR and MM-Waves (Colchester, UK, 1993),

3-я Крымская конф. и выст. "СВЧ техн. и спутн. прием" (Севастополь, 1993г.),

Int. Conf. on MM and Submm Waves and Applications (USA, San-Diego, 1994),

2-nd Int. Simp. "Physics and Engineering of MM and SubMM Waves" (Uktaine, Kharkov, 1994),

Asia-Pacific Microwave Conf (Japan, Tokyo, 1994),

Н.-т. конф. "Техника и физика электронных систем и устр." (Сумы, 1995г.),

25-th European Microwave Conf. (Italy, Bologna, 1995),

3-rd Int. Symp."Physics and Engineering of MM and SubMM Waves (Ukraine, Kharkov, 1998).

Публікації. За темою дисертації автор має опублікованими 1 монографію в співавторстві, та 28 робіт в національних та зарубіжних наукових журналах, а також 7 авторських свідотцтв СРСР.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, шести розділів, висновку і списку використаних джерел. Загальний обсяг роботи складає 291 сторінку, включаючи 102 рисунка та 6 таблиць, а також 181 назву бібліографічних посилань на 15 сторінках.

2. Зміст дисертації

Вступ містить в собі характеристику стану проблеми і тенденції в розвитку робіт по дослідженню КТГ, сформульовані мета та задачі дисертаційної роботи, розглянуто коло питань, розв'язання яких лягло в основу дисертаційної роботи. У вступі коротко викладено зміст роботи та сформульовані основні ії результати і положення, які виносяться на захист.

Перший розділ. "Моделювання та експериментальне дослідження коливальних процесів в коливальних системах з ешелетними відбивними решітками" присвячено розробці нового підходу до теоретичного аналізу ВР з дзеркалами, що мають ступінчасту деформацію. В цьому розділі зроблено огляд літератури, в якому розглянуті основні напрямки дослідження коливальних систем КТГ та характеристик цих генераторів. Цей огляд підводить до висновку, що найбільш перспективними ВР для КТГ є квазіоптичні резонатори з дифракційними решітками, але найголовніше, що цей резонатор повинен в собі об'єднувати системи розрідження спектру та трансформації імпедансів. Установлено, що методи теоретичного аналізу ВР данного типу розвинуті недостатньо.

Хвилеводна модель, запропонована Л.А.Вайнштейном, є перспективною для теоретичного розгляду коливальних процесів в ВР зі ступінчастою деформацією дзеркала. Згідно з цією моделлю, ВР з плоскими дзеркалами відтворюється відрізком регулярного стрічкового хвилеводу, а утримання електромагнітної енергії в ньому - це наслідок повного відбиття хвилеводної хвилі від його кінців і слабкої трансформації цієї хвилі в хвилі інших типів. Детальне вивчення хвилеводної моделі та її можливостей показує, що вона має ряд переваг, оскільки задача збудження ВР зводиться до внутрішньої хвилеводної задачі, математичний апарат якої добре розроблено. Модифікація моделі полягає в заміні регулярного відрізка хвилеводу - моделі ВР на хвилевод з неоднорідностями та включення в перегляд неоднорідних задач збудження. Це шлях до розширення кола проблем, що розв'язуються, включаючи ВР з неоднорідностями.

Указаний теоретичний підхід був апробований на класичній моделі ВР типу Фабрі-Перо. Поставлена і чисельно розв'язана неоднорідна задача на збудження ВР плоскою хвилею, що падає в модель ВР з боку плоского хвилевода. Окрім відомих результатів, що підтверджують правомірність вибору підходу до аналізу, одержані також нові результати: розподілення амплітуди і фази Нz -компоненти поля в ВР та діаграми направленості дифрагованого з ВР випромінювання. Установлено зв'язок між цими компонентами поля в так званих дорезонансних, резонансних та післярезонансних режимах. Вивчено розподілення амплітуди магнітної компоненти поля в плоскому хвилеводі, що підводить енергію до ВР, в залежності від величини зв'язку. Ці задачі мають прикладне значення.

Розглянута двомірна модель ВР з плоским ешелетом та проведено аналіз спектру цього резонатора і його порівняння зі спектром резонатора Фабрі-Перо. Виявлена аномалія в топології поля основних та вищих типів коливань, яка виражається в асиметричній концентрації енергії коливань в так званій вузькій частині ВР.

В цьому розділі описані методика експериментальних досліджень квазіоптичних резонаторів та характеристик КТГ і оротронів, наводиться також опис апаратурного забезпечення експериментів. За допомогою експериментів та за допомогою променевої моделі розглянуто ВР з фазовокорегуючим та ешелетним дзеркалами. Встановлено зв'язок між аномальним розподілом енергії в ешелетному ВР та відхиленням від автоколімаційного режиму відбиття при квазіоптичних співвідношеннях між розмірами ВР та довжиною хвилі.

Цей зв'язок полягає в тому, що з переходом в область оптичних розмірів ВР асиметрія в розподілі поля зменшується. В дослідженнях моделі ВР з плоским ешелетним дзеркалом та реальних резонаторів, які складаються зі сферичного і ешелетного дзеркал, одержано добрий збіг результатів.

В розділі 2 "Механізми формування коливань в квазіоптичних структурах з додатковим обмеженням резонансного простору" розглянуто питання подальшого розвитку та удосконалення підходу до аналізу складних резонансних систем, основаного на моделі Вайнштейна, та теоретичного вивчення складних ВР. Автором введено визначення поняття ВР з додатковими обмеженнями резонансного простору як такого резонатора, що має резонансний простір, обмежений провідними поверхнями дзеркал не тільки в напрямку осі симетрії ВР, але маються обмеження і в інших напрямках. При цьому, зв'язок з зовнішнім вільним простором зберігається через бокову апертуру , яка стає меншою відстані між дзеркалами . Для класичних ВР виконується співвідношення .

Типовим прикладом коливальної системи з додатковим обмеженням резонансної області є запропонований автором сферокутовоешелетний ВР. Цей резонатор складається із сферичного (параболічного) дзеркала з отворами зв'язку з навантаженням. Ними можуть бути щілини, діафрагми і таке інше. Елементи звязку з'єднуються з хвилеводами. Друге дзеркало виконано у вигляді двох ешелетів, що встановлені під кутом блиску відносно осі ВР. Грань, що розташована при вершині кута, є спільною для обох ешелетів. Апертури кутовоешелетного та сферичного дзеркала приблизно рівні між собою (див. рис. 1). Ешелетне дзеркало, що складене з двох ешелетів (кутовоешелетне), частково обмежує резонансний простір у напрямку, перепендикулярному осі ВР. Оскільки вказаний ВР являється одним із ключових в даній роботі, є сенс розглянути його моделювання більш детально. На рисунку 2 показано декомпозиційне складання його з елементарних блоків. Перший етап - це формування ешелетного та плоского дзеркал. Ешелетне дзеркало моделюється набором уступів в хвилеводі, що з'єднуються регулярними відрізками хвилеводів. У загальному випадку ширина та висота граней між собою не рівні . Тут розглянуто прямокутний симетричний ешелет, . На другій стадії об'єднуються хвилеводний трійник в Н-площині та сформоване ешелетне дзеркало. Третя стадія - це симетрування конструкції.



Рис. 1

Обчислювальний алгоритм узагальненої матриці розсіювання формується чотириполюсниками та шестиполюсниками M та N. В матричній формі отримуємо

, (1)

, (2)

, (3)

. (4)

Тут - розв'язання системи лінійний рівнянь типу:

, (5)

. (6)

Діагональна матриця - відповідає за фазовий набіг на регулярних частинах хвилеводу.

На другій та третій стадії також правомірні рівняння (1-6), що одержані при оперуванні чотириполюсниками. Другі елементи узагальненої матриці S(MN), що відповідні розгляданню шестиполюсників, можливо одержати такими:

, (7)

, (8)

, (9)

, (10)

. (11)

Матричний елемент отримується при розв'язанні рівняння:

. (12)

Застосування принципу декомпозиції в квазіоптиці перш за все можливе внаслідок того, що використовується хвилеводна модель квазіоптичних резонансних систем. Але використання цього принципу в квазіоптиці можливе завдяки декільком особливостям: сферичні та інші криволінійні відбиваючі поверхні апроксимуються плоскою стінкою хвилевода; в квазіоптиці необхідно використовувати матриці більш високих порядків, а побудова алгоритмів, що відповідають цій задачі, стала можливою при використанні ЕОМ з великими операційними можливостями та більш організованих моделюючих систем (СЕМ-04); необхідність мінімального збурення поля в ВР потребує мінімізації збуджуючих апертур та збереження одномодової структури збуджуючої хвилі.

З правого боку рисунку 2 показана модель кутовоешелетного ВР, що аналізувався в розділі 2. Незалежним параметром аналізу є безрозмірна частота . Аналіз полегшується, якщо всі розміри моделі ВР виражені через параметр деформації, в даному випадку, через висоту ступені ешелета h, і .

Проведено аналіз спектру вимушених коливань, який має більшу спектральну густоту ніж ВР з плоским ешелетним дзеркалом. Цим підтверджується припущення про існування додаткових механізмів збудження коливань, окрім режиму автоколімаційного відбитка хвиль від граток. Проведено ідентифікацію топології поля типів коливань, що дозволила класифікувати коливання в кутовоешелетному ВР та виявити механізми їх збудження. Проведено розподіл коливань на низькочастотні хвилеводні, класичні основні та вищі типи, "квазікласичні" типи з концентрацією поля, коливання трьохдзеркального ВР, ешелет-ешелетні типи коливань. Серед цих груп типів коливань слід виділити "квазікласичні" коливання з концентрацією поля поблизу осі ВР як найбільш добротні. Виявлено механізм утворення цього типу коливань, який полягає в переважному відбитті хвилеводних типів хвиль в моделі ВР на ступенях деформації.



Рис. 2

При цьому коефіцієнт відбиття та коефіцієнт трансформації в вищі типи хвилеводних хвиль ,які продовжують розповсюджуватись на периферію ВР на частоті "квазікласичного" типу, мають співвідношення

. (13)

Коливання типу "ешелет-ешелет", що виникають внаслідок замкнення енергії поблизу кутовоешелетного дзеркала, як і "квазікласичні", властиві резонаторам з додатковим обмеженням резонансного простору. На рис.3 показана структура основного класичного та основного "квазікласичного" типів коливань. Видно, що внаслідок перевідбиття хвиль на ступенях енергія цих типів концентрується поблизу осі ВР, а поле трансформується і поблизу вершини має структуру близьку до хвилеводної (поперечні та поздовжні компоненти). Цей факт є побічним доказом трансформації імпедансу. Експериметальні дослідження підтвердили наявність в спектрі сферокутовоешелетного ВР квазікласичних типів. Висока добротність цих коливань забезпечується малими дифракційними втратами, оскільки інтенсивність поля на краях дзеркал практично має нульовий рівень (див.рис.3). Ці властивості ВР з додатковим обмеженням мають як самостійне значення, оскільки вони розширюють коло можливих фізичних механізмів збудження ВР, так і можуть використовуваться в прикладних цілях.

Рис. 3

Окрім Н-поляризованих коливань (вектор лежить в площині, перпендикулярній утворюючим граням ешелета), була теоретично показана можливість збудження в кутовоешелетному ВР Е-поляризованих коливань. При проведенні чисельних експериментів одержані спектри та топології поля коливань в ВР і проведена класифікація типів. Відомо, що в ВР з плоским ешелетним дзеркалом Е-поляризовані коливання не збуджуються внаслідок того, що при автоколімаційному режимі відбиття енергії не буває повним . При введенні додаткових обмежень цей механізм не приймає участі в формуванні коливань, але з'являються інші. Вивчення механізмів та проведена класифікація вказують на те, що головним механізмом в режимі Е-поляризіції є трансформація хвилеводних хвиль на ступінчастих неоднорідностях. Властивими для данного випадку є "квазіосновні" коливання, трьохдзеркальні, та так звані зв'язані типи, що виникають за рахунок зв'язку сусідніх максимумів поля по нульовій гармоніці. Експериментальні дослідження підтвердили можливість збудження сферокутовоешелетного ВР в передбаченому теоретично режимі Е-поляризації. На основі результатів проведеного дослідження сформульована можливість зменшення апертури дзеркал ВР, що збуджуються на "квазіосновних" типах.

Розділ 3 "Дисперсійні відкриті резонатори з хвилеводними дифракційними решітками" містить в собі оцінку можливості одночастотного збудження ВР в широкому діапазоні частот та її експериментальну перевірку. Проведено порівняння просторових спектрів дифракційних решіток різного типу. Для обгрунтування та експериментального вивчення режиму одночастотного збудження вибрано дифракційну гребінчату решітку, що, як відомо, має найбільшу добротність розсіювання. Що в умовах використання решітки як дзеркала ВР являється мірою кутової дисперсії.

З метою підтвердження можливості оптимізації геометричних розмірів досліджувалось декілька екземплярів решіток. Розрахунок дифракції плоскої хвилі на решітках проведено строгими методами теорії дифракції з метою одержання максимальної концентрації енергії в автоколімаційних -1-й та -2-й гармоніках, та підвищення добротності розсіювання і вибору оптимальних кутів автоколімації. Встановлено, що найбільш добротним є режим відбиття Н-поляризованої хвилі на -1й гармоніці. Попередній пошук резонансних відгуків ВР з хвилеводними решітками проведено в інтервалі частот 20-60 ГГц. Спостерігався добрий збіг між розрахованими кутами автоколімаційного відбиття та кутами установки дзеркала-решітки ? в ВР. Виміри проведені в більш вузькому діапазоні частот. Як і очікувалось, найбільш розріджений спектр має ВР при Н-поляризованому збудженні. Незважаючи на високу, але кінцеву, величину добротності гребінчатої решітки, одночастотного режиму збудження досягнути не вдалось. Поряд з основним, типом збуджується вищий зі значно меншою добротністю, частотний інтервал між якими менше за напівширину лінії кутової дисперсії решітки. Являється неочевидною установка дзеркала-решітки під схилом відносно осі ВР (наприклад ? =210) в порівнянні з широко розповсюдженим розміщенням цього дзеркала під кутом ? =900. В вивченому випадку повністю вилучається можливість збудження ВР на гармоніках більш високих порядків, що має значення для ряду прикладних задач, наприклад для збудження генерації без вищих гармонік, та в хвилемірах. В цьому розділі вперше одержані спектри, близькі до одночастотних і показано, що такі режими можливі і для ВР з іншими решітками хвилеводного типу.

Розділ 4 " Синтез комбінованих коливальних систем з розвинутою структурою" присвячено розгляду багатодзеркальних ВР. Зв'язані дисперсійні ВР мають перспективу як коливальні контури твердотільних генераторів мм та субмм діапазонів. В першу чергу, це високий ступінь селекції спектру та розширення функціональних можливостей. Остання властивість визначається декількома резонансними об'ємами і дозволяє отримати просторово поєднані та частотно рознесені електромагнітні поля. Проведено дослідження трьохдзеркального сфероешелетного ВР методом чотирьохполюсника. При цьому взято до уваги, що ешелетне дзеркало має додаткову дисперсію, а всю коливальну систему можно розглянути як таку, що складається з двох парціальних. Встановлено, що для Е-поляризованого випромінювання виконуються умови сильного звязку між парціальними ВР і система працює як єдиний коливальний контур. Для Н-поляризованого випромінювання для випадку повного автоколімаційного відбиття система розпадається на два частотно незалежних контури.

В цьому розділі розглянуто випадки комбінованого Е- і Н-поляризованого збудження трьохдзеркального ВР, яке легко реалізується на практиці розкладом довільно зорієнтованого лінійно-поляризованого випромінювання в базисі векторів і , або використанням еліптично-поляризованого віпромінювання. В цій ситуації можливі такі режими: автоколімаційне збудження парціальних ВР на Н-поляризації, звязані Н-поляризовані коливання, режим зв'язаних Е-поляризованих коливань. Якщо відстані між дзеркалами зафіксовані, всі ці режими будуть частотно рознесеними, оскільки сумарний фазовий набіг суттєво відрізняється при відбитті Н- або Е-поляризованих хвиль на ешелеті.

Основою для синтезу нових комбінових ВР були фізичні властивості збудження коливань в коливальних системах з додатковим обмеженням резонансного простору, що вивчалися в розділах 1, 2 і 3. Так, наприклад, на зв'язаних типах коливань, що виникають для Е-поляризованих хвиль при неповному автоколімаційному відбитті для та ? =450, решта енергії відбивається в 0-у гармоніку. При використанні основ розробки ВР з додатковим обмеженням побудовані трьохзеркальні та багатодзеркальні ВР. Трьохдзеркальний ВР має в собі два сферичних та кутовоешелетне дзеркало. При збудженні Н-поляризованими хвилями ця система розпадається на два незалежних парціальних ВР. При Е-поляризованому збудженні виникають так звані зв'язані коливання, що мають високу добротність, оскільки енергія, що попала в нульову гармоніку, є сигналом синхронізації і трансформується на зворотній частині кутовоешелетного дзеркала в напрямку -1-ї гармоніки, не покидаючи резонансного простору.

В цьому ж розділі розглянуто ВР з широкою апертурою, що збуджуються на вищих типах коливань з високою добротністю завдяки системі поглинаючих смуг та комірчастій формі сферичного дзеркала, що являється аналогом багатодзеркальної системи. Багатодзеркальні та широкоапертурні коливальні системи можуть знайти використання в суматорах потужності, багаточастотних генераторах, та антенній техніці.

Розділ 5 "Генерація та перетворювання електромагнітних коливань в дисперсійних відкритих коливальних системах" в своєму початку містить основні засади розробки КТГ, до яких в першу чергу відносяться необхідність використання таких квазіоптичних коливальних контурів, в яких водночас з можливістю багатоступінчастого узгодження імпедансів активного твердотільного середовища та ВР підтримується висока добротність та селективність. Цим вимогам відповідають ВР з додатковим обмеженням резонансного простору, що технічно виконуються за допомогою комбінації декількох дифракційних відбиваючих граток.

Другим варіантом узгодження є використання дисперсійних ВР в комбінації з низькодобротними резонаторами хвилеводного типу. Цей тип генераторів розглянуто в підрозділі 5.2. В підрозділі 5.3, на основі сферокутовоешелетного ВР були розроблені ряд генераторів на діодах Ганна та ЛПД в інтервалі частот від 28 до 300 ГГц.

Особливості сферокутовоешелетного ВР, на які необхідно звернути увагу при розробці КТГ, такі:

селективні можливості цього резонатора до деякої міри зменшені в порівнянні з плоскоешелетним ВР, але спектр має коливання з аномально високою добротністю (квазіосновні типи), які можна вибрати як робочі;

поле квазіосновних типів коливань стягнуто до осі ВР, має підвищену концентрацію, що можливо використати для зменшення габаритів ВР;

кутовоешелетне дзеркало є багатоступеневим трансформатором імпедансу, це сприяє узгодженню активного середовища та коливального контуру з метою оптимізації потужності та підвищення КПД.

Рис. 4

На основі проведених експериментальних та теоретичних досліджень квазіосновних типів (див.розділ 2) для вибору робочої частоти визначається висота ступенів ешелета із емпіричних співвідношень та , для Н- та Е-поляризованого збудження відповідно. Розглянуто два режима підключення резонансного контура. На рис.4а показана схема з реактивно відбиваючим резонатором, а на рис.4б показана схема з прохідним резонатором. Втрати потужності в другому випадку функціонально пов'язані з величиною коефіціента стабілізації і помітно зростають при збільшенні останього. Отже, для одержання більш якісного спектру, але при деякому зниженні КПД, необхідно використовувати схему з прохідним резонатором.

Головна конструктивна особливість розроблених генераторів полягає в тому, що кутовоешелетне дзеркало ВР виконує одночасно і роль корпусу приладу. Це спрощує конструкцію, зменшує кількість деталей та підвищує конструктивну жорсткість резонатора.

Характеристики твердотільних квазіоптичних генераторів зі сферокутовоешелетним ВР, що були розроблені методом масштабного моделювання згідно з наведеними вище формулами, зведені в таблицю:

Тип приладу	Тип діода	Діапазон частот, ГГц	Мін. вихід. потужнмВ	Живлення напруга, В струм,А	Довгочас. стабільн. МГц/0С	Крутизна ел. перестр. МГц/мА	Вихід на нагрузку
ГКГ-8	ДГ (AsGa)	30-40	110	4-5	0.8	-	0.12	хвілевід 7.2х3.4
ГКГ-3	ДГ(InP)	80-86	10	7	0.12	-	0.14	3.6х1.8
ГКЛ-8	ЛПД	33-42	180	30	0.15	-	0.13	7.2х3.4
ГКЛ-5	ДПД	53-62	60	24	0.15	-	0.12	5.6х2.8
ГКГ-8Т	ДГ (AsGa)	37.5	110	4-5	0.8	0.10	0.11	7.2х3.4
ГКЛ-3	ЛПД	93-96	15	16	0.2	-	0.15	3.6х1.8
ГКЛ-3А	ЛПД	115	15	16	0.25	-	0.15	3.6х1.8
QONB	ДГ (ONB-12)	67	5	6-8	0.4	-	0.12	WR-12 (ст.USA) квазіопт
Дослідн.	ЛПД на другій гармон.	~300	~2	-	-	-	-	квазіопт

Короткочасна нестабільність частоти джерел є не більше ніж 5?10-8 сек-1 відносно нестабільності напруги живлення ?10-4 та при рівні пульсації ?10мВ на частоті 100 Гц. Генератори з довжиною хвилі ? ? 8мм мають рівень частотно-модульованих шумів -120 дБ/Гц (з діодом Ганна) та -100 дБ/Гц (з ЛПД) при відстроюванні на 10 кГц від несучої частоти. Наведені характеристики (в порівнянні з хвилеводними типами генераторів, наприклад фірми "Epsilоn Lambda Electronics, USA) є свідоцтвом того, що серія джерел в діапазонах ? = 3 - 8 мм є конкурентною з аналогічними приладами вітчизняного та зарубіжного віробництва, а в короткохвильовій частині спектру перевершує їх по спектральних та шумових характеристиках.

На прикладі КТГ з діодом Ганна з фосфіду індію та на прикладі розробки короткохвильового КТГ з лавинно-пролітним діодом (f = 300 ГГц) показана перспективність цього напрямку в розробці квазіоптичних пристроїв мм та субмм діапазонів при умові використання інтегральних та планарних технологій. В цьому розділі досліджено питання розробки КТГ з довгочасовою стабілізацією частоти. В джерелах, де використовується коливальний контур з високою добротністю, основною проблемою є температурна стабілізація розмірів резонатора. Можливість мініатюрізації ВР, що працює на квазіосновному типі коливань, дає змогу розв'язати цю проблему. Апертура дзеркал була вибрана не більше а ” ??, а висота ступенів з наведених вище формул. Температура регулюється за допомогою елементів Пельтьє. Модуляційна характеристика МГц/В. Стабільність частоти, яка оцінювалась по аналізатору спектру - 6?10-7хв-1. Довгочасова стабільність .

Використання квазіоптичних принципів побудови генераторів, що можуть генерувати декілька частот в режимі асинхронних коливань (при цьому кратність частот та фазові співвідношення не спостерігаються) дозволяє одержати усталені двочастотні режими і перевести їх з розряду небажаних аномальних, як це властиво для хвилеводних типів генераторів, в такі, що мають перспективу використання. Одне з можливих використань - доплерівські системи вимірювання швидкості з високою роздільністю близько нуля.

Одержані двочастотні стійкі асинхронні режими коливань в КТГ на діоді Ганна, де використовується трьохдзеркальний сфероешелетний ВР. Частоти генерації мають незалежне перестроювання. Різниця частот досягає ГГц в діапазоні генерації ГГц, змінюється до нульових значень, та може змінити знак. Співвідношення потужностей має приблизно таке значення . Стабільність різниці частот не гірше 2?10-6 в інтервалі .

В цьому розділі розглянуто питання перетворення частот в багатоконтурних квазіоптичних системах, як перспективного напрямку при просуненні в субмм діапазон і розроблено ряд пропозицій з оптимізації їх конструкцій. Запропоновано використовувати трьох-чотирьохдзеркальні ВР з ешелетами або гребінчатими дифракційними решітками.

Розділ 6 "Складання потужностей твердотільних активних елементів в квазіоптичних системах" висвітлює декілька питань збільшення потужності КТГ та збереження високих спектральних якостей випромінювання при підвищенні потужності резонансних електровакуумних генераторів. В роботі показано, що слід очікувати зниження добротності ВР та погіршення спектральних характеристик в суматорах резонансного типу при підвищенні числа активних елементів ( мається на увазі як твердотільних діодів, так і електронних пучків). Вихід з цієї ситуації - в побудові суматорів з невеликим числом діодів, в використанні відкритих коливальних систем з трансформацією структури поля та імпедансу, а також в розробці суматорів з великою апертурою коливальної системи, що працює на вищих типах коливань. В останніх, практично, на кількість елементарних джерел випромінювання обмежень не має.

В розділі розглянуті характеристики суматора потужності діодів Ганна з сферокутовоешелетним ВР. Показано, що при складанні потужності невеликого числа діодів коефіцієнт використання потужності кожного діода . Синхронізація коливань зовнішнім джерелом випромінювання застосована для вивчення можливості когерентного складення потужностей окремих КТГ з квазіоптичним виводом енергії. Досліджено розподілення поля в ближній та дальній зонах. За допомогою додаткових фазових зміщень одержана можливість керування діаграмою спрямованості.

Показана можливість складання потужностей в ВР з великою апертурою . При цьому резонатор має систему поглинаючих смуг, що сприяють збудженню вищого робочого типу, добротність якого перевершує добротність основного типу, а діоди розміщуються так, що в кожному максимумі поля знаходиться не більше одного або двох діодів. Таким чином, внесене збурення незначне, що дає змогу одержати генерацію великого числа діодів без зменшення добротності та погіршення спектральних характеристик. Останні два напрямки складання потужностей важливі в розробці активних резонансних антенних граток.

Важливим є підрозділ 6.5, де розглянуто перспективи використання дисперсних ВР з додатковим обмеженням резонансного простору в вакуумній електроніці мм та субмм діапазонів. В ньому розглянуто генератор дифракційного випрмінювання (ГДВ) з сферокутовоешелетним ВР. В ГДВ с традиційним сфероциліндричним ВР високий рівень когерентності та низький рівень частотного шуму забезпечується підвищеним рівнем добротності коливальної системи. Але при підвищенні потужності ці якості ГДВ погіршуються. Використання сферокутовоешелетного ВР дає змогу зберегти ці якості при генерації потужності до 15 - 20 Вт. Друга, але не менш важлива сторона проблеми вибору резонатора ГДВ-оротрону - це розміри апертури ВР, оскільки однорідне магнітне поле створити в меншому зазорі легше. Збудження ВР на квазіосновних типах коливань дає змогу суттєво зменшити апертурні розміри дзеркала ВР.

Рис. 5

На рис.5 показані залежності частоти генерації від довжини ВР двух типів. В ГДВ зі сфероциліндричним ВР(2), традиційним для цього типу приладів, збуджувались як основні, так і вищі типи коливань та , . ГДВ з сферокутовоешелетним ВР(1) має збудження тільки на квазі- типах. Дослідження структури поля методом термовізуалізації стало експериментальним підтвердженням збудження Е-поляризованого квазіосновного типу коливань, який згідно з теоретичним аналізом є найбільш добротним та добре узгоджується з електронним потоком. Цей факт підтверджується порівнянням енергетичних характеристик. В цьому розділі також розглянуті електровакуумні прилади з декількома електронними пучками, що дає змогу підвищити потужність генерації.

Висновки

В дисертаційній роботі узагальнені теоретичні та експериментальні дослідження фізичних процесів в відкритих резонансних системах з дисперсійними елементами, дослідження механізмів формування коливань в квазіоптичних системах, що означені автором як ВР з додатковим обмеженням резонансного простору. Одержані результати використовуються в розв'язанні ряду прикладних задач. На початковій стадії створення та дослідження КТГ, удосконалення їх характеристик, аналіз та синтез коливальних систем КТГ проводилися в світовій та вітчизняній практиці емпіричними та наближеними методами. На подальших етапах розвитку спрощені підходи до досліджень такої складної проблеми стали на перешкоді в розвитку досліджень, пошуку нових коливальних систем та покращенню спектральних і енергетичних характеристик. Аналіз цього питання, проведений в роботі, показує, що найбільш перспективними відкритими коливальними системами для КТГ є ВР з дисперсійними дзеркалами, що мають можливість багатоступеневої трансформації імпедансу. Ці складні електродинамічні структури потребують пошуку адекватного підходу до їх теоретичного аналізу та експериментального дослідження.

Проведено систематизацію ВР, що використовується в квазіоптичних резонансних електронних приладах мм та субмм. Показано, що цілий ряд дисперсійних ВР відносяться до класу резонаторів, дзеркала яких мають ступінчасту деформацію. Розроблено новий підхід до аналізу моделей ВР з цим видом дзеркал. Фізична суть його полягає в хвилеводній концепції утримання поля в ВР на частотах, близьких до критичних. Методичним забезпеченням цього підходу до аналізу є принцип декомпозиції, вперше в даній роботі розповсюджений на область резонансних систем квазіоптики та метод узагальненої матриці розсіювання. Реалізація підходу відтворена в системі електромагнітного моделювання СЕМ-04.

На прикладі модельної неоднорідної задачі збудження ВР типу Фабрі-Перо проведено обгрунтування застосування даного підходу в аналізі квазіоптичних резонансних систем. Одержали підтвердження загальновідомі знання про збудження ВР з плоскими дзеркалами. Поряд з цим, вперше виявлено звязок між амплітудно-фазовим розподілом поля в ВР та діаграмами випромінювання з бокових апертур при резонансі, а також близьких до нього режимах.

...