Поля та спектральні характеристики неоднорідних квазіоптичних резонаторів міліметрового діапазону

Виявлено раніше не вивчені власні коливання напівпровідникових і феритових квазіоптичних резонаторів з циліндричними і сферичними поверхнями [27]. До них відносяться: а) поверхневі коливання в циліндричному і кульовому напівпровідниковому резонаторах; б) поверхневі спінові коливання в намагніченому циліндричному феритовому резонаторі.

Встановлено, що при відсутності зовнішнього магнітного поля і при великих значеннях азимутального або полярного модових індексів відповідно для власного коливання циліндричного або кульового резонатора поверхневе коливання переходить у плазмон, що до цих пір був вивчений тільки на плоскій границі напівпровідника. Показано, що з ростом азимутального модового індексу при фіксованому зовнішньому магнітному полі спектр власних поверхневих коливань резонатора відповідає спектрові магнітоплазмонів.

Визначено області існування коливань "шепочучої галереї" і поверхневих коливань у гіротропних циліндричних резонаторах в залежності від величини і напрямку зовнішнього магнітного поля, в якому розміщені резонатори. Для цього проведено якісний аналіз напівпровідникового (n-InSb) резонатора з власними квазіаксіально-однорідними коливаннями H типу і феритового (Pb·6Fe2O3) резонатора з аксіально-однорідними коливаннями E типу. Для різних значень kz0 розраховані частоти поверхневих коливань у резонаторі з напівпровідника n-InSb [27], в якому не враховані явища зіткнення основних носіїв зарядів. Встановлено, що зовнішнє магнітне поле H0 приводить до істотної залежності власних частот резонатора від його величини і напрямку. Зі збільшенням H0 спостерігається зменшення власної частоти резонатора. З ростом концентрації електронів власна частота циліндричного напівпровідникового резонатора підвищується. Збільшення значення kz0 приводить до зменшення частотної області існування поверхневих коливань і зі збільшенням зовнішнього магнітного поля H0 до їхнього повного зникнення при . У великих магнітних полях H0 власна частота резонатора слабко змінюється.

Показано, що в циліндричних напівпровідникових і феритових резонаторах для поверхневих коливань характерний ефект невзаємності щодо зміни напрямку прикладеного зовнішнього магнітного поля. Зовнішнє магнітне поле розщеплює азимутально-однорідні власні коливання гіротропної кулі на звичайні і незвичайні коливання, які відрізняються радіальними компонентами хвильових векторів [52, 53]. Встановлено, що у зовнішньому магнітному полі в резонаторі з'являється зв'язок між TE і TM коливаннями і між парціальними модами із суміжними полярними індексами n і n1.

Досліджені резонатори з поверхневими коливаннями і коливаннями "шепочучої галереї" є придатними для діагностики напівпровідників і феритів. Напівпровідникові і феритові резонатори з циліндричними та сферичними поверхнями можуть бути використані в різних НВЧ і КВЧ пристроях з керуванням зовнішнім магнітним полем.

У восьмому розділі вирішено проблему визначення електрофізичних параметрів речовин на основі експериментально визначених спектральних та енергетичних характеристик неоднорідних квазіоптичних резонаторів міліметрового діапазону [1-6, 11-19, 21-26, 28, 29, 31-33, 37, 42-49].

У результаті розроблено і частково реалізовано широкодіапазонні резонансні методи визначення електрофізичних параметрів речовин з використанням неоднорідних квазіоптичних резонаторів з циліндричними та сферичними поверхнями. Розвинуто підходи до визначення електрофізичних параметрів анізотропних діелектриків і провідників з використанням циліндричних діелектричних резонаторів, в яких вісь анізотропії діелектрика збігається з аксіальною віссю резонатора. Вони засновані на: а) розв'язку системи рівнянь на базі характеристичного рівняння й експериментально виміряних значеннях власних частот резонатора з ідентифікованими модами; б) використанні в отриманих енергетичних виразах експериментальних значень добротності резонатора.

Приведено приклади реалізації підходів для визначення аксіального компонента тензора діелектричної проникності лейкосапфіру і поверхневого опору торцевих провідних пластин ЦДР, які виготовлено з міді, титану або ВТНП плівок (YBa2Cu3O2-) [16]. Розв'язано зворотну задачу електродинаміки, тобто визначені комплексні діелектричні проникності середовища, що заповнює внутрішній прошарок радіально двошарового ЦДР, за його визначеними експериментально спектральними та енергетичними характеристиками [13-15, 44, 45]. Показано можливість використання радіально тришарового ЦДР для цієї мети [3, 4, 33]. На прикладі радіально двошарового ЦДР із зовнішнім прошарком із плавленого кварцу показана можливість діагностики фізіологічного розчину, який заповнює внутрішній прошарок резонатора [28]. Цей факт, безсумнівно, становить інтерес для медицини. Отримано значення діелектричної проникності плавленого кварцу, з якого було виготовлено кулю [11, 42, 43].

Розроблено вимірювальну комірку діелектрометра на основі радіально двошарового циліндричного діелектричного резонатора [29]. У восьмиміліметровому діапазоні довжин хвиль проведено дослідження радіально двошарових ЦДР із коливаннями "шепочучої галереї" при заповненні внутрішніх прошарків рідкими речовинами, як з малими, так і з великими втратами [1, 13-15, 28]. Показано, що при деяких товщинах зовнішнього прошарку резонатора речовини, які застосовуються як його внутрішній прошарок, є розпізнавані за власною частотою резонатора або його добротністю [1, 14]. Відзначено особливість зсуву власної частоти резонатора з внутрішнім прошарком із речовин з малими і великими втратами щодо частоти резонатора з повітряним внутрішнім прошарком в залежності від радіальної товщини зовнішнього діелектричного прошарку (рис. 10).

На рис. 10 приведено результати спільних теоретичних і експериментальних досліджень радіально двошарового ЦДР з зовнішнім прошарком із фторопласта. Радіус зовнішнього прошарку 2=3,9 см, а радіус внутрішнього шару 1 змінювався в діапазоні 2,5...3,3 см. Внутрішній прошарок заповнювався повітрям, водою, етиловим спиртом (1=3,6(1+0,3i)) і бензином. Отримано власні частоти і добротності резонатора з TM38 1 0 модою. Діаметр латунних (RS=0,14 Ом) торцевих пластин резонатора вибирався з умови D>2,22 [22]. Коефіцієнт включення провідника резонатора, що досліджувався, знаходився в межах =(0,4...1,6)Ч10-3 Ом-1. Зсув власних частот резонатора приведено відносно частоти резонатора з повітряним заповненням внутрішнього прошарку.

Розроблено обчислювальні програми для досліджень неоднорідних квазіоптичних резонаторів і визначення електрофізичних параметрів речовин.

Експериментальним шляхом показано можливість збудження коливань "шепочучої галереї" безпосередньо в рідинах у шестиміліметровому діапазоні довжин хвиль [13]. В результаті визначено комплексні значення діелектричних проникностей веретенної олії і бензину. Спрощено підхід до визначення електрофізичних параметрів рідин з малими значеннями тангенсів кутів втрат. Підхід базується на дослідженні ЦДР у вигляді рідини, яка налита в циліндричну кювету з пінопласту.



ВИСНОВКИ

В дисертації розвинуто електродинамічну теорію власних і вимушених коливань у неоднорідних квазіоптичних резонаторах міліметрового діапазону, дано теоретичне обґрунтування можливості і вирішено проблему визначення електрофізичних параметрів речовин з використанням неоднорідних резонаторів з коливаннями "шепочучої галереї".

Для вирішення цієї проблеми проведено дослідження, які включають:

визначення спектральних та енергетичних характеристик діелектричних, напівпровідникових і феритових резонаторів зі слабозгасаючими коливаннями "шепочучої галереї";

вивчення розподілів електромагнітних полів власних і вимушених коливань квазіоптичних діелектричних резонаторів;

розробку обчислювального спеціалізованого програмного забезпечення;

розробку і реалізацію широкодіапазонних резонансних методів визначення електрофізичних параметрів речовин з використанням неоднорідних квазіоптичних резонаторів міліметрового діапазону;

вимірювання власних частот і добротностей резонаторів, а також експериментальне дослідження розподілів полів резонансних коливань з метою їхньої ідентифікації.

I.Розвинуто електродинаміку неоднорідних квазіоптичних резонаторів з коливаннями "шепочучої галереї". У рамках цієї теорії:

- набула подальшого розвитку теорія власних коливань циліндричних діелектричних резонаторів і радіально двошарових циліндричних діелектричних резонаторів, прошарки яких виготовлені з анізотропних речовин. Резонатори обмежені провідними торцевими поверхнями і розміщені в анізотропному навколишньому середовищі;

- визначено умови розподілу типів коливань, які разом з розв'язками характеристичних рівнянь однозначно ідентифікують власні моди таких резонаторів;

- вивчено вплив втрат у діелектрику і кінцевої провідності торцевих поверхонь анізотропного циліндричного діелектричного резонатора на його спектральні та енергетичні характеристики;

- показано динаміку розподілу щільності енергії і напруженості електричного поля власної моди радіально двошарового циліндричного діелектричного резонатора при змінюванні радіуса внутрішнього прошарку;

- уперше вивчено власні коливання напівпровідникової кулі і радіально тришарового діелектричного резонатора з ідеально провідними торцевими поверхнями;

- виявлено розходження в якісному і кількісному характері зсуву власної частоти радіально тришарового циліндричного діелектричного резонатора із середнім прошарком з речовин з малими та великими втратами відносно власної частоти циліндричного діелектричного резонатора, який виготовлено з речовини, що відповідає матеріалові внутрішнього і зовнішнього прошарків резонатора;

- проведено електродинамічний аналіз: а) анізотропного кульового діелектричного резонатора з азимутально-неоднорідними коливаннями; б) ізотропного сфероїдального діелектричного резонатора; в) гіротропного циліндричного діелектричного резонатора з ідеально провідними торцевими поверхнями; г) гіротропного кульового резонатора з азимутально-однорідними коливаннями;

- показано, що під впливом анізотропії або малої еліптичності відбувається зняття частотного виродження власних коливань, яке властиве ізотропній кулі, а також що в анізотропній кулі та у сфероїдальному діелектричному резонаторі відбуваються трансформації TE і TM коливань у квазі-TE і квазі-TM коливання;

- вироблено методики експериментального визначення кутових модових індексів власних коливань кульового, півкульового і сфероїдального діелектричних резонаторів.

II. Уперше теоретично вивчено поля та спектральні характеристики нових резонаторних структур у вигляді частини циліндра або кулі, які включають діелектричні і/або металеві неоднорідності.

- Отримано компоненти полів власних коливань і характеристичне рівняння анізотропного півциліндричного діелектричного резонатора з провідними плоскими поверхнями;

- Уперше вивчено вимушені коливання, збуджені радіальним магнітним диполем у півкулі, яка розміщена на ідеально провідній плоскій поверхні;

- Запропоновано метод селекції власних мод "шепочучої галереї" півкульового діелектричного резонатора з провідною плоскою поверхнею;

- Запропоновано діелектричний резонатор у вигляді кульового пояса, який розташовано на плоскій провідній поверхні. Спектральні та енергетичні характеристики такого резонатора відповідають характеристикам півкульового резонатора з TEn n 1 коливаннями;

- Досліджено вплив неаксіальної циліндричної діелектричної або металевої неоднорідності на спектральні і польові характеристики півциліндричного діелектричного резонатора з TMm s 0 модою;

- Запропоновано використовувати півциліндричний діелектричний резонатор з циліндричною неоднорідністю для вимірювання електрофізичних параметрів речовин, які займають малі об'єми, а також здійснювати механічне перестроювання частоти автогенератора, який стабілізовано високодобротним півциліндричним діелектричним резонатором, введенням металевого штиря в область максимуму поля моди "шепочучої галереї".

III. Виявлено раніше не вивчені власні коливання діелектричних, напівпровідникових і феритових квазіоптичних резонаторів з циліндричними і сферичними поверхнями. До них відносяться:

- і коливання в анізотропному циліндричному діелектричному резонаторі з віссю анізотропії, яка лежить у площині поперечного перерізу резонатора;

- поверхневі коливання в циліндричному і кульовому напівпровідникових резонаторах. Установлено, що при відсутності зовнішнього магнітного поля і при великих значеннях азимутального або полярного модового індексу відповідно для власного коливання циліндричного або кульового резонатора поверхневе коливання переходить у плазмон, який до цих пір був вивчений тільки на плоскій границі напівпровідника;

- поверхневі спінові коливання в намагніченому циліндричному феритовому резонаторі. Показано, що з ростом азимутального модового індексу при фіксованому зовнішньому магнітному полі спектр власних поверхневих коливань резонатора відповідає спектрові магнітоплазмонів.

Установлено, що розміщення гіротропного кульового резонатора в зовнішньому магнітному полі приводить до появи зв'язку між TE і TM коливаннями та між парціальними модами із суміжними полярними індексами і . Показано, що зовнішнє магнітне поле розщеплює азимутально-однорідні власні коливання на звичайні і незвичайні коливання, які відрізняються радіальними компонентами хвильових векторів.

IV. Вирішено проблему визначення електрофізичних параметрів речовин на основі експериментально виміряних спектральних та енергетичних характеристик неоднорідних квазіоптичних резонаторів міліметрового діапазону.

- Обґрунтовано широкодіапазонні резонансні методи визначення електрофізичних параметрів речовин з використанням неоднорідних квазіоптичних резонаторів;

- Розвинуто підходи до визначення електрофізичних параметрів анізотропних діелектриків і провідників з використанням циліндричних діелектричних резонаторів, у яких вісь анізотропії діелектрика співпадає з аксіальною віссю резонатора;

- Розв'язано зворотну задачу електродинаміки, тобто визначені комплексні діелектричні проникності речовини, що заповнює внутрішній прошарок радіально двошарового циліндричного діелектричного резонатора, за визначеними експериментально спектральними та енергетичними характеристиками резонатора. Показано можливість використання радіально тришарового резонатора для цієї мети;

- Установлено, що при деяких товщинах зовнішнього прошарку радіально двошарового циліндричного діелектричного резонатора речовини, які використані для створення його внутрішнього прошарку, можуть бути ідентифіковані за власною частотою резонатора або його добротністю;

- Установлено механізм резонансного поглинання енергії в капілярно-хвилеводному резонаторі, що пов'язаний зі збудженням власного коливання в радіально двошаровому циліндричному резонаторі (капілярі), який заповнено поглинаючим середовищем;

- Розроблено вимірювальну комірку діелектрометра на основі радіально двошарового циліндричного діелектричного резонатора. Діелектрометр захищений патентом України [29];

- Розроблено і налагоджено обчислювальні програми для числових досліджень і спеціалізованих розрахунків.

Вірогідність основних положень дисертації і висновків обумовлена: а) строгістю в математичному відношенні всіх отриманих результатів; б) доказом застосовності методів визначення електрофізичних параметрів речовин з використанням неоднорідних квазіоптичних резонаторів міліметрового діапазону і підтверджується збігом результатів числових і експериментальних досліджень квазіоптичних резонаторів з коливаннями "шепочучої галереї". Отримані значення електрофізичних параметрів досліджених речовин збігаються з довідковими даними і значеннями, отриманими іншими дослідниками.

Практична цінність результатів досліджень, які включено до дисертації, полягає в тому, що вони можуть бути широко використані при розробках резонансних пристроїв міліметрового і субміліметрового діапазонів довжин хвиль і при вимірюванні електрофізичних параметрів речовин. Напівпровідникові і феритові резонатори з циліндричними і сферичними поверхнями можуть бути використані в різних НВЧ і КВЧ пристроях з керуванням зовнішнім магнітним полем.

На основі матеріалів, які використано у дисертації, розроблено спецкурс "Мікрохвильова діагностика та контроль електрофізичних параметрів речовин" для магістрів радіотехнічного факультету Харківського національного університету радіоелектроніки.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ АВТОРА ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Прокопенко Ю. В., Смирнова Т. А., Филиппов Ю. Ф., Матяш О. А. Радиально двухслойный квазиоптический диэлектрический резонатор для диэлектрометрии // Вопросы атомной науки и техники. - 2004. - № 4. - С. 93-96.

2. Прокопенко Ю. В., Филиппов Ю. Ф., Шипилова И. А., Яковенко В. М. Моды "шепчущей галереи" в полушаровом изотропном диэлектрическом резонаторе с идеально проводящей плоской поверхностью // ЖТФ. - 2006. - Т. 76, № 2. - С. 102-111.

3. Прокопенко Ю. В., Филиппов Ю. Ф., Шипилова И. А. Влияние кольцевого слоя из различных веществ на собственную частоту и добротность цилиндрического квазиоптического диэлектрического резонатора // Письма в ЖТФ. - 2006. - Т. 32, № 7. - С. 36-41.

4. Прокопенко Ю. В., Филиппов Ю. Ф., Шипилова И. А. Радиально трехслойный диэлектрический резонатор с идеально проводящими торцевыми стенками // Радиофизика и электроника. - Харьков: Институт радиофизики и электроники НАН Украины. - 2006. - Т. 11, № 1. - С. 32-37.

5. Прокопенко Ю. В., Филиппов Ю. Ф. Анизотропный дисковый диэлектрический резонатор с проводящими торцевыми стенками // ЖТФ. - 2002. - Т. 72, № 6. - С. 79-84.

6. Прокопенко Ю. В., Филиппов Ю. Ф. Влияние конечной проводимости торцевых стенок на спектральные и энергетические характеристики анизотропного диэлектрического дискового резонатора // Радиофизика и электроника. - Харьков: Ин-т радиофизики и электроники НАН Украины. - 2001. - Т. 6, № 1. _ С. 30-34.

7. Akay M. Fatih, Prokopenko Yu., Kharkovsky S. Resonance characteristics of whispering gallery modes in parallel-plates-type cylindrical dielectric resonators // Microwave and Optical Tech. Lett. - 2004. - Vol. 40, No. 2. - P. 96-101.

8. Прокопенко Ю. В., Смирнова Т. А., Филиппов Ю. Ф. Собственные колебания анизотропного диэлектрического шара // ЖТФ. - 2004. - Т. 74, № 4. - С. 82-88.

9. Литвиненко В. С., Прокопенко Ю. В., Филиппов Ю. Ф. Поверхностные электромагнитные колебания в полупроводниковом шаре // Радиофизика и электроника. - Харьков: Институт радиофизики и электроники НАН Украины. - 2003. - Т. 8, № 2. - С. 237-240.

10. Прокопенко Ю. В., Филиппов Ю. Ф., Яковенко В. М. Возбуждение колебаний в полушаровом диэлектрическом резонаторе радиальным магнитным диполем // ЖТФ. - 2005. - Т. 75, № 5. - С. 107-112.

11. Derkach V. N., Filipov Yu. F., Plevako A. S., Prokopenko Yu. V., Smirnova T.A. Determination of microwave parameters of isotropic mediums by using an open quasi-optical spherical resonator // International Journal of Infrared and Millimeter Waves. - 2004. - Vol. 25, No. 1. - P. 139-148.

12. Баранник А. А., Прокопенко Ю. В., Филиппов Ю. Ф., Черпак Н. Т. Квазиоптический диэлектрический резонатор. Измерение микроволновых характеристик диэлектриков и проводников // Радиофизика и электроника. - Харьков: Ин-т радиофизики и электроники НАН Украины. - 2000. - Т. 5, № 3. - С. 104-109.

13. Бараник О. А., Прокопенко Ю. В., Філіпов Ю. Ф., Черпак М. Т. Електромагнітні мікрохвилі шепочучої галереї в рідинах // Доповіді НАН України. - 2003. - № 3. - С. 77-79.

14. Cherpak N. T., Barannik A. A., Prokopenko Yu. V., Smirnova T. A., Filipov Yu. F. A new technique of dielectric characterization of liquids // Nonlinear dielectric phenomena in complex liquids / under editors S. J. Rzoska & V. P. Zhelezny, NATO Science Series, Kluwer Academic Publishers, 2004. - Vol. 157. - P. 63-76.

15. Баранник О. А., Прокопенко Ю. В., Черпак М. Т., Шафорост О. М. Мікрохвильові „аномалії” в радіально двошаровому квазіоптичному діелектричному резонаторі, заповненому рідиною з великими втратами // Доповіді НАН України. - 2005. - № 11. - С. 68-72.

16. Баранник А. А., Прокопенко Ю. В., Филиппов Ю. Ф., Черпак Н. Т., Короташ И. В. Добротность сапфирового дискового резонатора с проводящими торцевыми стенками в миллиметровом диапазоне длин волн // ЖТФ. - 2003. - Т. 73, № 5. - С. 99-103.

17. Cherpak N. T., Barannik A. A., Bunyaev S. A., Prokopenko Yu. V., Vitusevich S. Measurements of millimeter-wave surface resistance and temperature dependence of reactance of thin HTS films using quasi-optical dielectric resonator // IEEE Trans. on Appl. Supercond. - 2005. - Vol. 15, No. 2. - P. 2919-2922.

18. Cherpak N. T., Barannik A. A., Prokopenko Yu. V., Filipov Yu. F., Vitusevich S. Accurate microwave technique of surface resistance measurement of large-area HTS films using sapphire quasioptical resonator // IEEE Trans. on Applied Superconductivity. - 2003.- Vol. 13, No. 2. - P. 3570-3573.

19. Vitusevich S., Cherpak N., Barannik A., Prokopenko Yu. Microwave impedance characterization of large-area HTS films: novel approach // Superconductor Science and Technology. - 2004. - Vol. 17, issue 7. - P. 899-903.

20. Баранник А. А., Прокопенко Ю. В. Аксиальный индекс колебаний "шепчущей галереи" дискового диэлектрического резонатора // Радиофизика и электроника. - Харьков: Ин-т радиофизики и электроники НАН Украины. - 2001. - Т. 6, № 3. - С. 286-288.

21. Cherpak N. T., Barannik A. A., Filipov Yu. F., Prokopenko Yu. V., Smirnova T. A. Frequency spectrum evolution of quasi-optical dielectric resonators with conducting endplates // Telecommunications and Radio Engineering. - 2002. - Vol. 57, No. 12. - P. 46-55.

22. Баранник А. А., Прокопенко Ю В., Филиппов Ю. Ф., Черпак Н. Т. Влияние ограниченности торцевых экранов на частотный спектр колебаний в цилиндрических квазиоптических диэлектрических резонаторах // Письма в ЖТФ. - 2003. - Т. 29, № 13. - С. 31-35.

23. Баранник А. А., Прокопенко Ю. В., Смирнова Т. А., Филиппов Ю. Ф., Черпак Н. Т. Кольцевой квазиоптический диэлектрический резонатор с проводящими торцевыми стенками // Радиофизика и электроника. - Харьков: Ин-т радиофизики и электроники НАН Украины. - 2001. - Т. 6, № 2. - С. 201-205.

24. Cherpak N. T., Barannik A. A., Prokopenko Yu. V., Filipov Yu. F., Vitusevich S. A. Microwave properties of HTS films: measurements in millimeter wave range // Физика низких температур. - 2006. - Т. 32, № 6. - С.795-801.

25. Прокопенко Ю. В., Филиппов Ю. Ф., Черпак Н. Т. Квазиоптический диэлектрический резонатор с одноосной анизотропией и проводящими торцевыми стенками. Структура поля и добротность // Радиофизика и электроника. - Харьков: Ин-т радиофизики и электроники НАН Украины. - 1999. - T. 4, № 2. _ С. 50-54.

26. Кириченко А. Я., Прокопенко Ю. В., Филиппов Ю. Ф., Черпак Н. Т. Аксиально-однородные азимутальные колебания в анизотропных диэлектрических резонаторах // Радиотехника и электроника. - 1989. - Т. 34, № 2. - С. 300-304.

27. Прокопенко Ю. В., Филиппов Ю. Ф., Яковенко В. М. Квазиазимутальные поверхностные колебания в круглых полупроводниковых резонаторах // ДАН УССР. Сер. А. - 1988. - № 4. - С. 59-61.

28. Прокопенко Ю. В., Филиппов Ю. Ф., Чуканова Г. А. и др. Широкополосный резонансный метод определения диэлектрических свойств веществ с большими потерями // Прикладная радиоэлектроника. - 2005. - Т. 4, № 2. - С. 201-205.

29. Пат. №59568 А Украина, 7G01R27/26. Квазіоптичний діелектрометр: пат. №59568 А Украина, 7G01R27/26 / О. А. Баранник, Ю. В. Прокопенко, Т. О. Смирнова, Ю. Ф. Філіпов, М. Т Черпак. - №2002086550; Заявл. 06.08.2002; Опубл. 15.09.2003, бюл. № 9. - 5 с.

30. Пат. №71116 А Украина, 7G01В5/22. Спосіб визначення сферичності діелектричних резонаторів та пристрій для його здійснення: пат. №71116 А Украина, 7G01В5/22. / О. Я. Кириченко, О. Е. Когут, В. В. Кутузов, Ю. В. Прокопенко, Т. О. Смирнова, В. А. Солодовник - №2003077084; Заявл. 28.07.2003; Опубл. 15.11.2004, бюл. № 11. - 3 с.

31. Прокопенко Ю. В., Филиппов Ю. Ф., Смирнова Т. А. Радиально-двухслойный квазиоптический диэлектрический резонатор с проводящими торцевыми поверхностями // Матер. 14-ой междунар. конф. "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии" - КрыМиКо, 2004 (г. Севастополь). - 2004. - С. 463-465.

32. Прокопенко Ю. В., Филиппов Ю.Ф., Шипилова И.А., Яковенко В.М. Полушаровой изотропный диэлектрический резонатор с идеально проводящей плоской поверхностью // Матер. 15-ой междунар. конф. "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии" - КрыМиКо, 2005 (г. Севастополь). - 2005. - Т. 2. - С. 513-514.

33. Prokopenko Yu. V., Filippov Yu. F., Shipilova I. A. Radially three-layered cylindrical dielectric resonator for permittivity measurement // Proc. International Conf. MIKON*2006, (Krakow, Poland). - 2006. - Vol. 1. - P.236-239.

34. Filippov Yu. F., Prokopenko Yu. V. Spectral performances of non-isotropic dielectric resonator with imperfect conducting end walls // Proc. International Conf. MMET*2000, (Kharkiv, Ukraine). - 2000. - Vol. 2. - P. 547-549.

35. Prokopenko Yu. V., Filippov Yu. F. Spectral characteristics of anisotropic dielectric disk resonator with imperfect conducting end walls // Proc. of the 31-st European Microwave Conference, EuMC'2001, (London, Grate Britain). - 25 September, 2001. - Vol. 1. - P.193-196.

36. Прокопенко Ю. В., Филиппов Ю. Ф., Смирнова Т. А. Собственные колебания анизотропного шара // Матер. 13-ой междунар. конф. "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии" - КрыМиКо, 2003 (г. Севастополь). - 2003. - С. 498-500.

37. Filippov Yu. F., Prokopenko Yu. V.,Smirnova T. A., Solodovnik V. A. Resonance modes in layer anisotropic dielectric rod resonators // Proc. of the 4-th International Kharkov Symp. "Physics and Engineering of millimeter and submillimeter waves" MSMW*2001, (Kharkov, Ukraine). - 2001. - P. 199-201.

38. Akay M. Fatih, Prokopenko Yu. V., Kharkovsky S. N. Numerical modelling of whispering gallery modes in parallel-plates type cylindrical anisotropic dielectric resonators // Proc. of 2001 IEEE AP-S International Symp. (Boston, USA). - 2001. - Vol. 2. - P.600-603.

39. Filipov Yu. F., Prokopenko Yu. V., Yakovenko V. M. Excitation of hemispherical dielectric resonator by radial magnetic dipole // Proc. of the 10-th International Conf. MMET*2004, (Dnipropetrovsk, Ukraine). - 2004. - P. 484-486.

40. Akay M. Fatih, Kharkovsky S. N., Prokopenko Yu. V. Whispering gallery mode dielectric resonators for millimeter wave near field sensing applications // Proc. of the 4-th International Kharkov Symp. "Physics and Engineering of millimeter and submillimeter waves" MSMW*2001, (Kharkov, Ukraine). - 2001. - P. 699-701.

41. Кириченко А. Я. Кривенко Е. В., Луценко В. И., Прокопенко Ю. В., Филиппов Ю. Ф. Подстройка частоты автогенератора на диоде Ганна, стабилизированного квазиоптическим диэлектрическим резонатором // Матер. 15-ой междунар. конф. "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии" - КрыМиКо, 2005 (г. Севастополь). - 2005. - Т. 2. - С. 529-530.

42. Derkach V. N., Filipov Yu. F., Plevako A. S., Prokopenko Yu. V., Smirnova T. A. Inverse problem for determination of microwave parameters of isotropic medium by using an open spherical resonator // Proc. of 2004 URSI-EMTS Inter. Symp. on Electromagnetic Theory, (Pisa, Italy), May 23-27, 2004. - P. 418-420.

43. Голик А. В., Деркач В. Н., Плевако А. С. Прокопенко Ю. В., Филиппов Ю. Ф. Измерение микроволновых параметров сред открытым квазиоптическим сферическим резонатором // Матер. 11-ой междунар. конф. "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии" - КрыМиКо,2001 (г. Севастополь). - 2001. - С. 597-599.

44. Cherpak N. T., Barannik A. A., Prokopenko Yu. V., Filipov Yu. F. Microwave characterization technique for condensed matter from first principles // Proc. of the International Workshop on Microwaves, Radar & Remote Sensing MRRS*2005 (Kiev, Ukraine). - 2005. - P. 322-329.

45. Cherpak N. T., Barannik A. A., Prokopenko Yu. V., Shaforost E. A., Shipilova I. A., Filipov Yu. F. Radially two-layered quasi-optical resonator with ethyl alcohol and water // Proc. of the 35-th European Micro-wave Conf., EuMC'2005, (Paris, France). - 4-6 October, 2005. - P. 1211-1214.

46. Cherpak N. T., Barannik A. A., Filipov Yu. F, Prokopenko Yu. V. Accurate microwave technique of surface resistance measurement of large-area HTS films using sapphire quasioptical resonator // Abstracts of Applied Superconductivity Conference, ASC'2002, (Houston, Texas USA). - 4-9 August, 2002. - P.171.

47. Cherpak N. T., Barannik A. A., Filipov Yu. F, Prokopenko Yu. V, Vitusevich S. Justification of the proposed RS-measurement technique for large-area high-temperature superconducting films in millimeter waverange // Наук. праці III-міжнар. науково-технічної конф. "Метрологія та вимірювальна техніка" (Харків, Україна). - 8-10 жовтня, 2002. - Т. 1. - С. 50-52.

48. Barannik A. A., Bunyaev S. A., Cherpak N. T., Prokopenko Yu. V., Vitusevich S. A. Temperature dependence of the surface reactance in YBa2Cu3O7- thin films measured by using qusi-optical sapphire resonator // Proc. of the 5-th International Kharkov Symp. MSMW* 2004, (Kharkov, Ukraine). - 2004. - P. 415-417.

49. Barannik A. A., Cherpak N. T., Prokopenko Yu. V., Filipov Yu. F., Vitusevich S. A. Characteristic properties of quasi-optical dielectric resonators technique for HTS film impedance measurements // Asia Pacific Microwave Conf. (APMC'04). - 2004. - P. 1045-1046.

50. Кириченко А. Я., Луценко В. И., Филиппов Ю.Ф. , Прокопенко Ю. В., Кривенко Е. В. Температурно-диэлектрическая спектроскопия растворов с использованием метода капиллярно-волноводного резонанса // Матер. 14-ой междунар. конф. "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии" - КрыМиКо, 2004 (г. Севастополь). - 2004. - С. 711-712.

51. Filippov Yu. F., Kirichenko A. Ya., Krivenko H. V., Lutsenko V. I., and Prokopenko Yu. V. Temperature-dielectric spectroscopy of solutions with using a method of capillary-waveguide resonance // Proc. International Conf. MIKON*2006, (Krakow, Poland). - 2006. - Vol. 1. - P.263-266.

52. Filippov Yu. F., Prokopenko Yu. V. Azimuth-homogeneous oscillations of gyrotropic sphere in external magnetic field // Proc. of the 4-th International Kharkov Symp. "Physics and Engineering of millimeter and submillimeter waves" MSMW*2001, (Kharkov, Ukraine). - 2001. - P. 202-204.

53. Прокопенко Ю. В., Филиппов Ю. Ф. Колебания шепчущей галереи в полупроводниковой замагниченной сфере // Мат. 12-ой междунар. конф. "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии" - КрыМиКо, 2002 (г. Севастополь). - 2002. - С. 443-444.

54. Filippov Yu. F., Prokopenko Yu. V. Influence of an elliptical non-uniformity of dielectric sphere on spectral characteristics of resonance oscillations // Proc. International Conf. MMET*2002, (Kiev, Ukraine). - 2002. - Vol. 2. - P.662-664.

55. Filipov Yu. F., Prokopenko Yu. V., Shipilova I. A. Influence of a capillary non-uniformity on an eigen frequency and Q-factor of semi-cylindrical quasi-optical dielectric resonator // Proc. International Conf. MMET*2006, (Kharkiv, Ukraine). - 2006. - P. 538-539.



АНОТАЦІЯ

Прокопенко Ю. В. Поля та спектральні характеристики неоднорідних квазіоптичних резонаторів міліметрового діапазону. - 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, м. Харків, 2006.

Дисертація присвячена розвитку електродинамічної теорії неоднорідних квазіоптичних резонаторів, обґрунтуванню і вирішенню проблеми визначення електрофізичних параметрів речовин при використанні таких резонаторів з коливаннями "шепочучої галереї". Вивчено власні і вимушені (збуджені радіальним магнітним диполем в діелектричній півкулі, яка розміщена на ідеально провідній площині) коливання в неоднорідних квазіоптичних резонаторах з циліндричними та сферичними поверхнями, проведено аналіз розподілів їх електромагнітних полів та з'ясовано фізику взаємодії полів з речовинами.

В рамках розвинутої теорії: а) набула подальшого розвитку теорія власних коливань циліндричних діелектричних резонаторів (ЦДР) та радіально двошарових ЦДР з провідними торцевими поверхнями, у яких всі прошарки, в тому числі навколишнє середовище, є анізотропними; б) досліджено власні коливання радіально тришарового ЦДР та напівпровідної кулі; в) проведено електродинамічний аналіз півциліндричного діелектричного резонатора з аксіально-однорідними модами при наявності в ньому циліндричної діелектричної чи металевої неоднорідності, анізотропного кульового діелектричного резонатора з азимутально-неоднорідними коливаннями, ізотропного сфероїдального діелектричного резонатора, гіротропного циліндричного діелектричного резонатора з ідеально провідними торцевими поверхнями та гіротропного кульового резонатора з азимутально-однорідними коливаннями; г) вивчено власні аксіально-однорідні коливання ЦДР з взаємно ортогональними напрямками осі анізотропії і його поздовжньої осі.

Вирішено проблему визначення електрофізичних параметрів речовин на основі експериментально визначених спектральних та енергетичних характеристик неоднорідних квазіоптичних резонаторів. Обґрунтовано широкодіапазонні резонансні методи визначення проникностей діелектриків, у тому числі рідин та газів, і поверхневих опорів провідників та надпровідників. Розвинуто підхід для визначення компонент тензора діелектричної проникності з використанням анізотропних ЦДР чи радіально двошарового ЦДР.

Ключові слова: неоднорідний квазіоптичний діелектричний резонатор, циліндричний діелектричний резонатор, радіально шаруватий резонатор, півциліндричний та півкульовий резонатор, власне коливання, коливання шепочучої галереї, вимушене коливання, поверхневе коливання, розподіл поля, широкодіапазонний метод визначення електрофізичних параметрів речовини.



ABSTRACT

Prokopenko Yu. V. Fields and spectral characteristics of nonuniform quasi-optical resonators for millimeter-wave band. - Manuscript.

Thesis for a Doctor of physical and mathematical sciences by specialty 01.04.03 - radiophysics. Usikov's Institute for Radiophysics and Electronics of National Academy of Sciences of Ukraine, Kharkov, 2006.

The thesis is devoted to development of the electrodynamic theory of nonuniform quasi-optical resonators, to grounding and solving a problem of determination of electrophysical parameters of substances by using such resonators exciting on "whispering gallery" modes. Eigen and forced (excited by a radial magnetic dipole in a dielectric hemisphere placed on an ideally conductive plane) modes are studied in nonuniform quasi-optical resonators with cylindrical and spherical surfaces, the analysis of distribution of their electromagnetic fields is carried out and physics of interaction of the fields with substances is ascertained.

Within the framework of the developed theory: 1) the theory of eigen modes in cylindrical dielectric resonators (CDR) and radially two-layered CDR with conductive end surfaces has further developed when resonator layers including an environment are anisotropic; 2) the eigen modes of three-layered CDR and semi-conducting sphere have been studied; 3) the electrodynamic analysis of i) a semicylindrical dielectric resonator with an axial-homogeneous mode at presence of a cylindrical dielectric or metal non-uniformity, ii) an anisotropic hemisphere dielectric resonator with azimuthal-inhomogeneous modes, iii) an isotropic spheroidal dielectric resonator, iv) a gyrotropic CDR with ideally conducting end surfaces and v) a gyrotropic spherical resonator with azimuthal-homogeneous modes has been performed; 4) the eigen axial-homogeneous modes of CDR that has mutually orthogonal directions of an anisotropy axis and its longitudinal axis have been studied.

The problem of determination of substances physical parameters is solved on the basis of the experimental measurements of resonance frequencies and Q-factors of nonuniform quasi-optical resonators. The wide-frequency range methods of determination of both permittivities of dielectrics including liquids and gases and surface resistance of conductors and superconductors are grounded. The approach to determination of permittivity tensor components is advanced with use of anisotropic CDR or radially two-layered CDR.

Keywords: nonuniform quasi-optical dielectric resonator, cylindrical dielectric resonator, radially layered resonator, semicylindrical and hemispheric resonator, eigen mode, whispering gallery modes, forced oscillations, surface oscillation, field distribution, wide-frequency range method of determination of electrophysical parameters of substance.



АННОТАЦИЯ

Прокопенко Ю. В. Поля и спектральные характеристики неоднородных квазиоптических резонаторов миллиметрового диапазона. - 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, г. Харьков, 2006.

Диссертация посвящена развитию электродинамической теории неоднородных квазиоптических резонаторов, обоснованию и решению проблемы определения электрофизических параметров веществ с использованием таких резонаторов с колебаниями "шепчущей галереи". Изучены собственные и вынужденные (в диэлектрическом полушаре) колебания в неоднородных квазиоптических резонаторах с цилиндрическими и сферическими поверхностями, проведен анализ распределения их электромагнитных полей и выяснена физика взаимодействия полей с веществами.

В рамках развитой теории: а) приобрела дальнейшее развитие теория собственных колебаний цилиндрических диэлектрических резонаторов (ЦДР) и радиально двухслойных ЦДР с проводящими торцевыми поверхностями, слои которых, включая окружающую среду, являются анизотропными; б) исследованы собственные колебания трёхслойного ЦДР и полупроводникового шара; в) проведен электродинамический анализ полуцилиндрического диэлектрического резонатора с аксиально-однородной модой при наличии в нём цилиндрической диэлектрической или металлической неоднородности, анизотропного полушарового диэлектрического резонатора с азимутально-неоднородными колебаниями, изотропного сфероидального диэлектрического резонатора, гиротропного ЦДР с идеально проводящими торцевыми поверхностями и гиротропного шарового резонатора с азимутально-однородными колебаниями; г) изучены собственные аксиально-однородные колебания ЦДР с взаимно ортогональными направлениями оси анизотропии и его продольной оси.

Изучено влияние потерь в диэлектрике и конечной проводимости торцевых поверхностей ЦДР на его спектральные и энергетические характеристики. Определены условия разделения типов колебаний, которые вместе с решениями характеристических уравнений однозначно идентифицируют собственные моды ЦДР и радиально двухслойного ЦДР.

На примере резонатора с внутренним слоем из плавленого кварца, а наружным из фторопласта, изучена динамика распределения плотности энергии и напряжённости электрического поля аксиально-однородной моды при изменении радиуса внутреннего слоя радиально двухслойного ЦДР. При совпадении радиуса внутреннего слоя резонатора и радиуса его внутренней каустики поле собственного колебания резонатора начинает проникать из наружного слоя во внутренний слой. С увеличением радиуса внутреннего слоя поле пересосредотачивается в него, проходя стадию "двойной вариации" по радиусу. Отмечена особенность изменения собственной частоты резонатора с внутренним слоем из веществ с малыми и большими потерями относительно резонатора с воздушным внутренним слоем в зависимости от радиальной толщины наружного диэлектрического слоя.

Установлен механизм резонансного поглощения энергии в капиллярно-волноводном резонаторе, связанный с возбуждением собственного колебания в радиально двухслойном ЦДР (капилляре), заполненном поглощающей средой.

Обнаружен различный характер изменения собственной частоты резонатора со средним слоем из веществ с малыми и большими потерями относительно собственной частоты ЦДР, изготовленного из вещества, соответствующего материалу внутреннего и наружного слоёв радиально трёхслойного ЦДР.

Впервые изучено влияние цилиндрической диэлектрической (металлической) неаксиальной неоднородности на спектральные и полевые характеристики полуцилиндрического диэлектрического резонатора с аксиально-однородной модой E типа. Предложено использовать такой резонатор для измерения электрофизических параметров веществ, занимающих малые объёмы, и для механической перестройки частоты автогенератора, стабилизированного высокодобротным полуцилиндрическим диэлектрическим резонатором, у которого неоднородность в виде штыря вводится в максимум поля моды "шепчущей галереи".

Обнаружены ранее не изученные собственные колебания анизотропного ЦДР с осью анизотропии, лежащей в плоскости поперечного сечения резонатора. Установлено, что в цилиндрических и шаровых полупроводниковых резонаторах, кроме объемных высокочастотных колебаний, возникают поверхностные колебания, которые при отсутствии внешнего магнитного поля и при больших значениях азимутального или полярного модового индекса переходят в плазмоны, до сих пор изученные только на плоской границе полупроводника. Показано, что в намагниченном цилиндрическом ферритовом резонаторе могут существовать поверхностные спиновые колебания.

Показано, что под влиянием анизотропии или малой эллиптичности происходит снятие частотного вырождения собственных колебаний, присущего изотропному шару, а также что в анизотропном шаре и в сфероидальном диэлектрическом резонаторе происходят трансформации TE и TM колебаний в квази-TE и квази-TM колебания.

Впервые развита теория возбуждения вынужденных колебаний радиальным магнитным диполем в полушаре, размещённом на идеально проводящей плоскости.

Созданы вычислительные программные средства для численных исследований и специализированных расчётов диэлектрических и полупроводниковых резонаторов с цилиндрическими и сферическими поверхностями.

Впервые графически представлены распределения плотностей энергий и доминирующих компонент полей на поверхности полушарового диэлектрического резонатора с модами "шепчущей галереи". Предложен метод селекции собственных мод "шепчущей галереи" полушарового диэлектрического резонатора с проводящей плоской поверхностью.

Решена проблема определения электрофизических параметров веществ на основе экспериментальных измерений резонансных частот и добротностей неоднородных квазиоптических резонаторов. Обоснованы широкодиапазонные методы определения проницаемостей диэлектриков, включая жидкости и газы, и поверхностного сопротивления проводников и сверхпроводников. Развит подход для определения компонент тензора диэлектрической проницаемости с использованием анизотропных ЦДР или радиально двухслойного ЦДР.

Ключевые слова: неоднородный квазиоптический диэлектрический резонатор, цилиндрический диэлектрический резонатор, радиально слоистый резонатор, полуцилиндрический и полушаровой резонатор, собственное колебание, колебания шепчущей галереи, вынужденное колебание, поверхностное колебание, распределение поля, широкодиапазонный метод определения электрофизических параметров вещества.

Размещено на Allbest.ru

...