Збудження електромагнітних коливань у відкритих резонансних системах генераторів міліметрового діапазону

Размещено на http://www.allbest.ru/

ІНСТИТУТ РАДІОФІЗИКИ ТА ЕЛЕКТРОНІКИ імені О.Я.УСИКОВА

НАН УКРАЇНИ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

ЗБУДЖЕННЯ ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ КОЛИВАНЬ У ВІДКРИТИХ РЕЗОНАНСНИХ СИСТЕМАХ ГЕНЕРАТОРІВ МІЛІМЕТРОВОГО ДІАПАЗОНУ

01.04.03 - радіофізика

Сенкевич Олена Борисівна

Харьков - 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті радіофізики та електроніки імені О.Я.Усикова Національної академії наук України.

Науковий керівник:

кандидат фізико-математичних наук,

старший науковий співробітник

Мірошниченко Володимир Семенович,

Інститут радіофізики та електроніки ім. О.Я.Усикова НАН України (м.Харків), заступник завідувача відділу теорії дифракції та дифракційної електроніки.

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук,

старший науковий співробітник

Фісун Анатолій Іванович,

Інститут радіофізики та електроніки ім. О.Я.Усикова НАН України (м.Харків), провідний науковий співробітник відділу твердотільної електроніки.

доктор фізико-математичних наук, професор

Колчігін Микола Миколайович,

Харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна Міністерства освіти і науки України,

завідувач кафедри теоретичної радіофізики.

Провідна установа: Сумський державний університет Міністерства освіти і науки України, кафедра фізичної електроніки.

Захист відбудеться 3 жовтня 2006 р. о 14.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.157.01 Інституту радіофізики та електроніки ім.О.Я.Усикова НАН України за адресою: Україна, 61085, м.Харків, вул. Акад. Проскури, 12.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

резонансний коливання радіаційний напівпровідниковий

Робота присвячена експериментальному дослідженню відкритих резонансних систем (ВРС) генераторів міліметрового діапазону, виявленню особливостей збудження коливань у генераторах дифракційного випромінювання (ГДВ) з новими типами ВРС, розробці методів дослідження коливань у ВРС, вивченню ефекту резонансного підвищення добротності коливань у ВРС із провідними вставками і його використанню для керування спектром та добротністю коливань у ВРС.

Актуальність роботи визначається необхідністю створення ефективних генераторів у міліметровому діапазоні та пошуку нових типів ВРС для генераторів субміліметрового діапазону. Застосування високодобротних ВРС в якості коливального НВЧ - контуру зворотного зв'язку дозволило, у свій час, створити когерентні вакуумні джерела середньої потужності міліметрового діапазону довжин хвиль - ГДВ, оротрони, лазери на вільних електронах, ледатрони і т.п. В зв'язку з просуванням в терагерцовий діапазон частот розробка та дослідження нових типів ВРС різної конструкції є достатньо актуальним завданням. Наприклад, на основі ВРС, що працюють у режимі біжучої хвилі, є можливість створення генераторів міліметрового діапазону з більш високою вихідною потужністю та ефективністю взаємодії поля з пучком, а також вузькою спектральною лінією. А використання в цих джерелах електромагнітних коливань дифракційного випромінювання, що поширюється під кутами ковзання до поверхні періодичної структури, дозволить просунутися в терагерцовий діапазон частот.

Крім того, у ВРС просто здійснюється вільний доступ у резонансний об'єм. Це дозволяє, з одного боку, успішно використовувати їх як пасивні комірки для дослідження властивостей речовин у міліметровому та субміліметровому діапазонах довжин хвиль, зокрема, у радіоспектроскопії поляризованих ядерних мішеней; а з іншого боку - розміщувати у високодобротних ВРС активні напівпровідникові елементи (ГЛПД, діоди Ганна та ін.), що дозволяє поліпшити спектральні характеристики генеруючих ними сигналів, а також створювати пристрої, в яких підсумовуються потужності окремих елементів.

У перерахованих випадках ВРС містять різні неоднорідності (дифракційні ґратки, напівпровідникові діоди, провідні вставки, діелектричні зразки і т.п.), що істотно впливає на їхні електродинамічні властивості. Крім того, у високочастотних електронних приладах, в резонансних вимірювальних комірках, як правило, застосовуються ВРС із одним вузлом зв'язку. На сьогодні не існує точних методів розрахунку таких ВРС, а наближені моделі не дають всебічної картини процесів, які спостерігаються в них при збудженні коливань, тому є необхідність у модифікації експериментальних методів з метою проведення максимально точного аналізу властивостей коливань у ВРС із радіаційними втратами у вузлі зв'язку.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Результати дисертаційної роботи увійшли до НДР, які виконувалися на замовлення Президії НАН України відділом теорії дифракції та дифракційної електроніки ІРЕ ім.О.Я.Усикова НАН України: “Дослідження граничних кооперативних середовищ поблизу критичних точок дисперсійних рівнянь з метою вивчення нелінійних еволюційних процесів у міліметровому діапазоні” (номер держреєстрації: 01.98.U.001474), “Електродинаміка відкритих структур, розробка джерел та радіосистем, у тому числі шумових, міліметрового та субміліметрового діапазонів” (номер держреєстрації: 01.00.U.006442).

Мета й задачі дослідження. Метою роботи є створення нових типів високодобротних ВРС для вакуумних і напівпровідникових генераторів міліметрового й субміліметрового діапазонів довжин хвиль і вдосконалення методів дослідження енергетичних та спектральних характеристик коливань у ВРС.

Для досягнення зазначеної мети необхідно вирішити такі наукові задачі:

модифікувати метод дослідження коливань у ВРС з урахуванням радіаційних втрат у зосередженому вузлі зв'язку;

апробувати метод пробного тіла для адекватного відновлення амплітудного розподілу поля власного коливання у ВРС при малій міждзеркальній відстані;

експериментально вивчити поведінку радіаційних втрат у вузлі зв'язку та встановити закономірності поведінки ефективності збудження ВРС залежно від розмірів елементів зв'язку і місця його розташування на дзеркалі;

створити нові типи ВРС для ГДВ з перехопленням дифракційного випромінювання в широкому кутовому спектрі й дослідити вплив омічних втрат дифракційних ґраток на вихідні характеристики ГДВ;

експериментально дослідити властивості коливань у відкритому резонаторі (ВР) із циліндричними дзеркалами з метою створення нових типів напівпровідникових генераторів міліметрового й субміліметрового діапазонів, а також комірок для вимірювання значень діелектричної й магнітної проникності матеріалів і речовин;

експериментально вивчити поведінку добротності коливань ВР при внесенні в його об'єм провідних вставок різного діаметру.

Об'єкт дослідження - відкриті резонансні системи з одним вузлом зв'язку й дифракційними ґратками, відкриті резонатори біжучої хвилі, генератори дифракційного випромінювання, відкриті резонатори із циліндричними дзеркалами й провідними циліндричними вставками.

Предмет дослідження - електромагнітні коливання у ВРС з неоднорідностями, їх енергетичні та спектральні характеристики, структура резонансних полів; особливості генерації коливань у ГДВ.

Методи дослідження: векторні методи вимірювання матриці передачі 4-полюсників на НВЧ, метод еквівалентних схем, метод пробного тіла, методи виміру коефіцієнта зв'язку генератора з навантаженням, методи вимірювання добротності коливань у ВР.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що:

Вперше застосовано метод визначення параметрів еквівалентної схеми заміщення для ВР з радіаційними втратами у вузлі зв'язку. В основу методу покладено апроксимацію дробно-лінійною функцією результатів вимірювань коефіцієнту відбиття ВРС у смузі частот резонансної кривої коливання, яке досліджується. Запропоновано скалярний метод виміру коефіцієнту зв'язку для власного коливання ВР з навантаженням, що враховує нерезонансні втрати у вузлі зв'язку.

Вперше експериментально показано, що при невеликих відстанях між дзеркалами ВР відновлення амплітудного розподілу поля власного коливання у ВР можливе тільки по зміщенню резонансної частоти, а не по зміні добротності коливання чи коефіцієнту передачі ВР, які спричинені пробним тілом.

Вперше аналітично досліджено поведінку радіаційних втрат у вузлі зв'язку поблизу резонансу та показано, що їх мінімум не співпадає з резонансною частотою навантаженої ВРС. Показано, що коефіцієнт ефективності збудження ВРС має резонансний характер із максимумом на власній частоті коливання ВР. Ширина резонансної кривої в залежності від рівня радіаційних втрат може бути як ширше, так і вужче смуги пропускання ВРС.

Вперше для збудження макету ГДВ на вищих типах коливань застосовані відкритий резонатор біжучої хвилі (ВРБХ) з дзеркалом у вигляді кругової зрізаної бочки та трьохдзеркальний ВР, як перспективні ВРС для перехоплення дифракційного випромінювання електронного потоку з широким кутовим спектром. Встановлено особливості спектрального складу цих ВРС та досліджено особливості збудження коливань в ГДВ з такими ВРС.

Вперше експериментально підтверджено ефект резонансного підвищення добротності коливань у циліндричному ВР із однією та двома провідними вставками у вигляді кругового циліндра. Встановлено фізичну природу ефекту підвищення добротності коливань у ВР із провідними вставками. Експериментально досліджено характеристики коливань у ВР з гладкими циліндричними дзеркалами та у ВР, що має закритичні скоси на периферії дзеркал. Одержано підвищення в 2,5 - 3 рази добротності основного TEM₀₀₅ - типу коливань у ВР із закритичними скосами на дзеркалах та провідною вставкою при ефективному висвічуванні вищих типів коливань. Розглянуто можливості керування у ВР з провідними вставками спектром коливань, їх частотою та добротністю. Показано, що за допомогою провідних вставок можна реалізувати ВР із перестроюванням частоти на одному (основному) типі коливань з добротністю, що наближається до омічної межі

Практичне значення отриманих результатів полягає в застосуванні нових типів ВРС для вакуумних і напівпровідникових генераторів міліметрового й субміліметрового діапазонів з розрідженим спектром коливань і збільшеною ефективністю енергообміну, а також для зменшення довжини хвилі генерованих коливань та просуванні в терагерцовий діапазон. Запропонована методика відновлення параметрів еквівалентної схеми ВРС на основі виміру за допомогою векторних аналізаторів матриці передачі 4-полюсників дозволяє однозначно характеризувати властивості коливань у ВРС і враховувати радіаційні втрати при їхньому збудженні.

Особистий внесок здобувача. У дисертаційній роботі узагальнені матеріали самостійних досліджень автора та результати, отримані в співавторстві при його особистій участі. Зі спільних публікацій використані тільки ті матеріали, у які автор вніс визначальний вклад, тобто: застосування методу векторних вимірів властивостей електромагнітних коливань у ВРС для врахування радіаційних втрат у вузлі зв'язку; обґрунтування меж застосовності скалярних вимірів властивостей коливань у ВРС; проведення порівняння методик по визначенню коефіцієнта зв'язку ГДВ з навантаженням; визначення в експерименті ефективності збудження ВРС зосередженим елементом зв'язку. Автор є ініціатором дослідження можливості застосування в ГДВ нових типів відкритих резонаторів біжучої хвилі, а саме: трьохдзеркального ВРБХ і ВРБХ із дзеркалом у вигляді кругової зрізаної бочки, а також експериментів по виявленню ефекту резонансного підвищення добротності ВР при внесенні в його об'єм резонансних провідних вставок.

Апробація результатів дисертації проводилася на наукових семінарах ІРЕ ім.О.Я. Усикова НАН України "Теорія дифракції і дифракційна електроніка", на національних і міжнародних симпозіумах та конференціях: The 4^th and 5^th International Kharkov Symposium “Physics and Engineering of Microwave, Millimeter and SubMillimeter Waves” (м.Харків, Україна, 2001, 2004), 15-я Міжнародна Кримська конференція “НВЧ-техніка й телекомунікаційні технології” (м.Севастополь, Україна, 2005).

Публікації. Основні наукові результати дисертації опубліковані в 13 наукових працях, у тому числі в 8 статтях у спеціалізованих журналах і в 5 тезах доповідей на конференціях.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків і списку використаних джерел, що містить118 посилань. Робота має загальний обсяг 141 сторінку та містить 57 рисунків і 6 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РАБОТИ

У Вступі розкрита загальна характеристика стану проблеми і її актуальність, обґрунтована необхідність проведення досліджень по темі дисертації, сформульовані мета та задачі роботи. Визначено об'єкт і предмет досліджень, новизна й практичне значення отриманих результатів.

У Розділі 1 викладений сучасний стан проблеми в напрямку дослідження, розробки й застосування ВРС для вакуумних і напівпровідникових генераторів міліметрового діапазону, а також в розробці нових методів дослідження коливань у ВРС.

У Розділі 2 - “Методи дослідження параметрів відкритих резонансних систем у міліметровому діапазоні з урахуванням радіаційних втрат у вузлі зв'язку” -розглядаються особливості дослідження коливань у ВРС з радіаційними втратами у вузлі зв'язку, який включений у вимірювальний тракт як кінцеве навантаження. Для таких ВРС запропоновано векторний метод визначення параметрів еквівалентної схеми заміщення та методику скалярних вимірів коефіцієнта зв'язку ВРС із навантаженням. Для методу пробного тіла встановлені межі застосування у ВР і розглядаються можливості використання цього методу для оцінки енергетичних характеристик ВР.

Радіаційні втрати у вузлах зв'язку мають складний характер поблизу резонансної частоти, що ускладнює визначення традиційними методами таких характеристик ВР як резонансна частота, добротність, коефіцієнт зв'язку з навантаженням та коефіцієнт передачі. В роботі проведені експерименти по дослідженню характеру поведінки відбитої P_ref і пройденої P_tra крізь ВР потужності від зовнішнього джерела при наявності радіаційних втрат у вузлах зв'язку різного розміру.

При малих розмірах діафрагми на фоні радіаційних втрат спостерігається симетрична лінія поглинання для відбитої хвилі. При збільшенні діафрагми втрати зростають, лінія поглинання стає несиметричною і відбувається трансформація лінії поглинання в резонансне відбиття збуджуючої хвилі. Це явище резонансного відбиття потужності від ВР в основному й стало причиною відмови від представлення ВР найпростішою еквівалентною схемою для резонансного контуру. З іншого боку, на круговій діаграмі Вольперта-Сміта експериментальні виміри значень коефіцієнта відбиття представлені колом незалежно від величини нерезонансних втрат.

У роботі доведена можливість подання поведінки властивостей ВР поблизу відокремленого резонансного коливання еквівалентною схемою заміщення (де вузол зв'язку представлений двома ідеальними трансформаторами струму з коефіцієнтами трансформації n₁ і n₂ і еквівалентним опором радіаційних втрат Z_S, саме резонансне коливання представлене паралельним коливальним контуром L₀, C₀, R₀, що відповідає режиму короткого замикання в лінії передачі при розладі ВР, а хвильовий опір лінії передачі дорівнює Z_W ) і запропонована методика визначення параметрів еквівалентної схеми по декількох вимірах значень коефіцієнта відбиття поблизу резонансу.

Коефіцієнт відбиття поблизу резонансу для вузла зв'язку ВР з лінією передачі можна представити у вигляді:

, (1)

де - комплексна константа, - коефіцієнт відбиття розстроєного ВР, - активна провідність навантаженого контуру, - навантажена добротність, відносний розлад частоти, - резонансна частота навантаженого контуру, - власна частота контуру, a₁, a₂, a₃ - постійні коефіцієнти. Вираз (1) являє собою дрібно-лінійну функцію, що здійснює перетворення дійсної осі t частотної площини в окружність на комплексній площині коефіцієнту відбиття.

Задача знаходження параметрів еквівалентної схеми зводиться до визначення коефіцієнтів a₁, a₂, a₃ за результатами експериментальних вимірів амплітуди й фази коефіцієнту відбиття в декількох точках (m) частотного діапазону поблизу резонансу і наступним розв'язком надлишкової системи лінійних рівнянь (1).

Для знаходження Z_S і Z_W (, активний опір контуру R₀ задається, Z_S = const для смуги частот поблизу резонансу) на апроксимуючій окружності вибирається гранична точка і точка , що відповідає коефіцієнту відбиття на власній частоті (рис. 3в). Тоді:

; .

При даному способі визначення параметрів еквівалентної схеми необов'язково вимірювати абсолютні значення фази коефіцієнту відбиття; додатковий зсув фази для експериментальних значень визначається при одержані активного Z_W.

Далі методом дрібно-лінійної апроксимації відновлюються параметри збуджуваних коливань: резонансні частоти й , навантажена добротність , власна добротність , повний коефіцієнт зв'язку

,

коефіцієнт зв'язку з навантаженням

,

коефіцієнт зв'язку з вільним простором

,

ефективність виводу енергії з резонатора

(де - діаметр апроксимуючої окружності S₁; - діаметр дотичної окружності S₂ при ; - діаметр одиничної окружності для ). За допомогою параметрів еквівалентної схеми розраховуються енергетичні характеристики ВРС: - потужність радіаційних втрат при збудженні досліджуваного коливання в ВРС;

- потужність, передана резонансному полю ВРС; - відбита потужність ( - нормовані значення потужностей).

У випадку симетричної резонансної кривої для визначення власної добротності збудженого коливання досить скористатися результатами вимірювання коефіцієнту стоячої хвилі по напрузі (КСХ) при резонансі ( ) і при розладі ( ). Отримано вираз для коефіцієнту зв'язку резонансного коливання ВР з навантаженням з урахуванням радіаційних втрат: для випадку “малого” зв'язку

;

для випадку “великого” зв'язку

У роботі проведені експерименти по апробації методу пробного тіла для малоапертурних ВРС із невеликими міждзеркальними відстанями (вимірювання розподілу поля власного коливання у двомірному ВР із циліндричними дзеркалами) і показано, що відновлення амплітудного розподілу поля власного коливання у ВР можна здійснити тільки по зсуву резонансної частоти. Викликана пробним тілом зміна дифракційної добротності коливання за своїм характером відрізняється від амплітудного розподілу поля коливання у ВР (рис. 2).В частині об'єму ВР, де приблизно зберігається сталість фази поля ( ), метод пробного тіла дозволяє відновити амплітудний розподіл поля по зсуву резонансної частоти коливання з точністю до розмірів пробного тіла. На периферії гауссового пучка можлива тільки оцінка величини амплітуди поля у ВР, тому що зсув резонансної частоти періодично міняє знак при переміщенні пробного тіла.

У Розділі 3 - “Особливості збудження коливань у відкритих резонансних системах генераторів дифракційного випромінювання” - досліджуються властивості вузлів зв'язку й нові типи ВРС для ГДВ, а також проведена оцінка впливу омічних втрат на роботу ГДВ.

Для щілинних вузлів зв'язку досліджена поведінка радіаційних втрат поблизу резонансної частоти, ефективність збудження ВРС та виводу енергії. Для ВРС-1 обидва вузли зв'язку мали розмір 7,2x0,1мм²; для ВРС-2 розміри вузла збудження -7,2x3,4 мм², контрольного - 7,2x0,1 мм²; для ВРС-3 обидва вузли зв'язку виконані у вигляді відкритого кінця хвилеводу -7,2x3,4 мм². Експериментально встановлено, що радіаційні втрати в збуджуючому вузлі зв'язку поблизу резонансу носять складний характер, причому їхній мінімум не збігається з резонансною частотою навантаженої ВРС. Коефіцієнт ефективності збудження () носить також резонансний характер з максимумом на власній частоті ВР, а ширина резонансної кривої () залежно від рівня радіаційних втрат може бути як ширше, так і вужче смуги пропускання ВРС.

Таким чином, для розрахунку енергетичних характеристик збудження ВР необхідна інформація про поведінку () у всій смузі пропускання резонатора. На відміну від коефіцієнта збудження коефіцієнт ефективності виводу енергії з ВР і коефіцієнти зв'язку практично постійні в смузі пропускання резонатора.

При дослідженні тонкої структури дифракційного випромінювання були виявлені кути, під якими випромінювалася значна частина енергії, що не трансформувалася у власні поля ВР ГДВ. У роботі запропоновані й досліджені для застосування в ГДВ перспективні ВРС нового покоління: ВРБХ, здатні акумулювати дифракційне випромінювання електронного пучка із широким кутовим спектром: 1) трьохдзеркальний ВР, утворений кутом із двох сферичних дзеркал і плоским дзеркалом з дифракційними ґратками; 2) двохдзеркальний ВР у вигляді кругової зрізаної бочки й плоского дзеркала з дифракційними ґратками.

Відповідно до отриманих розподілів полів на плоскому дзеркалі, спектр ВРБХ складається з мод Ерміта-Гауса: TEM_00q і TEM_02q є квазіосьовими типами коливань, а TEM_01q і TEM_03q - кільцевими коливаннями, на яких можлива робота ГДВ в режимі біжучої хвилі (рис.4в). В результаті аналізу спектрального складу встановлено, що на відміну традиційного двохдзеркального ВР у ВРБХ вищі типи коливань (TEM_10q і TEM_30q) збуджуються на більш близькій відстані, ніж основний (TEM_00q) тип коливань, що підтверджує кільцевий характер поширення гаусового пучка у ВРБХ (суцільні лінії відповідають “холодним” вимірюванням, а точки - режиму генерації коливань). Максимальна навантажена добротність спостерігалася на TEM_01q - типі коливань й склала Q_н 4000, при цьому на дифракційних ґратках уздовж руху пучка розташовані дві плями поля.

Експериментальні дослідження ГДВ в режимі генерації проведені на макеті з розділеною електронікою, у якому одне із дзеркал ВР розташоване поза вакуумним об'ємом. Показано, що робота ГДВ в режимі біжучої хвилі реалізується на кільцевих TEM_01q і TEM_03q типах коливань, причому при значній зміні робочої напруги ( для = 70^о і для = 110^о) частота генерації не змінюється від зміни кута живлення резонатора дифракційним випромінюванням з = 90^о + на = 90^о - . Для досліджуваних ВР у діапазоні частот 33 -36 ГГц отримана стійка генерація на TEM_01q типі коливань, яка відрізняється підвищеною стабільністю частоти, завдяки великій кількості накопиченої електромагнітної енергії.

У роботі одержано оцінку впливу дифракційних ґраток на збудження коливань у ГДВ. Ширина ґраток у ГДВ ( 10 мм) більш ніж у два рази перевищує ширину електронного потоку ( 3,8 мм), тому існує резерв по зменшенню омічних втрат. Теоретична оцінка омічної добротності ГДВ для різних типів коливань, показала, що при зменшенні ширини ґраток з 10 мм до 4 мм омічні втрати для основного типу коливань ТЕМ_00q зменшуються в 1,6 разів. У роботі запропонована та досліджена нова конструкція ГДВ з оптимізованою по ширині (В ~ 4 мм) дифракційною ґраткою, яка розташована в більш широкому каналі (С ~ 10 мм) на плоскому дзеркалі. Порівняльний аналіз роботи ГДВ з дифракційними ґратками шириною 4 мм і 10 мм показав, що максимальне значення вихідної потужності ГДВ з вузькою ґраткою в 1,5 раза вище, ніж із широкою, при більш розрідженому спектральному складі.

У Розділі 4 - “Електродинамічні властивості відкритих циліндричних резонаторів із провідними вставками” - розглянуто особливості збудження коливань у ВР із циліндричними дзеркалами, досліджено ефект підвищення дифракційної добротності коливань у ВР з циліндричними вставками, які мають достатній діаметр для конструктивного розміщення та охолодження активних елементів.

При чисельному моделюванні властивостей коливань у двомірному ВР було виявлено резонансне підвищення на два порядки дифракційної добротності для непарних TEM_00q-типів коливань (q = 3, 5, 7) при симетричному розміщенні провідної вставки між дзеркалами для двох значень її діаметру. Суть ефекту резонансного підвищення добротності полягає в деструктивній інтерференції витікаючого поля резонансного коливання з полем, розсіяним на вставці. При цьому розподіл струмів на дзеркалах ВР для основного коливання наближається до гаусового виду.

Для практичного застосування інтерес становлять ВРС, які дозволяють створити одномодовий перестроюваний ВР з активними елементами, розміщеними в його об'ємі, і з невисокими вимогами до точності виготовлення дзеркал. У роботі запропонована конструкція й досліджені властивості (спектральний склад, розподіл амплітуди поля збуджуваних коливань, добротність) ВР із гладкими циліндричними дзеркалами і дзеркалами із закритичними скосами на краях дзеркал.

Для ВР із гладкими циліндричними дзеркалами обрані такі значення параметрів (R_c = 23 мм, =80^о, 2b = 100 мм, l/R_c = 0,50 0,65), при котрих відбувається ефективне висвічування вищих поперечних типів коливань порожнього резонатора (TEM₁₀₅, TEM₂₀₅ і т.д.) і залишається досить високим рівень дифракційної добротності для основного TEM₀₀₅ - типу. При строго паралельному юстируванню дзеркал резонатора спостерігається збудження тільки парних (по індексу n) TEM₀₀₅ і TEM₀₂₅- типів коливань.

Розміщення провідної вставки із меншим діаметром (2a = 1,22 мм) в центральній пучності електричного поля TEM₀₀₅-типу коливань приводить до підвищення добротності коливання на 3050% у смузі перестроювання резонатора f=26,533,5 ГГц, а для провідної вставки нерезонансного діаметру (2a = 3,0 мм) добротність TEM₀₀₅- типу знижується у всій смузі перестроювання ВР.

Для підвищення добротності коливань за рахунок усунення витікання енергії резонансного поля вздовж дзеркал були проведені експериментальні дослідження ВР із провідною вставкою та закритичними скосами на краях циліндричних дзеркал (с = 15 мм; ). Скоси допомагають ефективно втримувати в резонаторі декілька вищих типів коливань, розташованих поблизу основного TEM_00q-типу, що відрізняються числом варіацій поля уздовж осі OY. Таким чином, даний резонатор може бути використаний у якості ВРС із наперед заданою сіткою резонансних частот і приблизно однаковою добротністю коливань.

При розміщенні в об'ємі ВР провідного циліндра діаметром 2a = 1,22 мм вдалося підвищити в 2,5 рази добротність TEM₀₀₅- типу коливань і здійснити перестроювання резонатора на одному типі коливань у смузі частот f =26,530 ГГц. Для резонансної вставки діаметром 2a = 5,0 мм добротність TEM₀₀₅- типу коливань збільшилася в 1,5 рази й склала (рис. 8в). Активний елемент у такому ВР може бути розміщений у розриві провідної вставки, що виконує функцію підведення напруг живлення і відводу тепла.

Резонансне підвищення дифракційної добротності для TEM_00q-типу коливань одержано також при розміщенні в об'ємі ВР двох провідних циліндричних вставок.

Для випадку розміщення двох вставок поблизу пучностей електричного поля TEM₀₀₆- типа коливань найбільший виграш у добротності спостерігається при меншому значенні резонансного діаметра вставок та при співпаданні їх осей з максимумами електричного поля стоячої хвилі поблизу геометричного центру резонатора. При збільшенні діаметру вставок їхні осі необхідно зміщувати з максимумів електричного поля резонатора.

При розміщенні осей двох провідних циліндричних вставок у площині, що перетинає тільки одну пучність електричного поля TEM₀₀₅ -типу коливань, максимум добротності коливання залежить від діаметра вставок і відстані між їхніми осями. При збільшенні діаметра необхідно симетрично зміщувати вставки на периферію гаусового пучка. Максимальний діаметр вставок, що дозволяє підвищити добротність ВР, становить , що цілком достатньо для конструктивного розміщення у ВР активних елементів, однак смуга перестроювання ВР звужується.

З метою визначення впливу точності симетрії розміщення провідних вставок в об'ємі ВР були проведені вимірювання добротності ВР на TEM₀₀₅- типі коливання при зсуві вставок уздовж осей OX і OZ без зміни відстані між осями вставок ( мм; мм). Встановлено, що добротність TEM₀₀₅- типу коливань практично не змінюється при одночасному переміщенні вставок уздовж осі OX в межах мм. Більш жорстких вимог необхідно дотримуватися при юстируванні вставок уздовж осі OZ, а саме: збільшення добротності коливань у порівнянні з порожнім резонатором спостерігається тільки при зсуві вставок в межах мм. Розподіл H_y - компоненти магнітного поля TEM₀₀₆-типу коливань у ВР із провідними вставками та діапазон перестроювання ВР.

При виконанні дисертаційної роботи проведені дослідження ВРС генераторів міліметрового діапазону з одним вузлом зв'язку та неоднорідностями в об'ємі, для яких істотну роль грають радіаційні явища; розроблені нові типи ВРС - відкриті резонатори біжучої хвилі для генераторів дифракційного випромінювання; експериментально виявлений і досліджений ефект резонансного підвищення добротності коливань у ВР із провідними вставками, що дозволяє ефективно управляти спектром збуджуваних коливань, їхньою частотою й добротністю при створенні високодобротних ВРС для напівпровідникових генераторів нового типу.

Основні результати роботи та висновки, отримані в даній роботі, можна сформулювати таким чином:

1. Запропоновано метод визначення параметрів резонансного коливання та еквівалентної схеми заміщення для ВР з радіаційними втратами у вузлі зв'язку, в основу якого покладена апроксимація дрібно-лінійною функцією результатів вимірювань коефіцієнту відбиття вузла зв'язку поблизу резонансної частоти. Запропонований метод дозволяє визначати власну резонансну частоту й власну добротність збуджуваного коливання та врахувати вплив зв'язку і нерезонансних втрат в експериментах з використанням ВРС для вимірювання діелектричної й магнітної проникності матеріалів. Для симетричної резонансної кривої запропонована скалярна методика вимірювань коефіцієнту зв'язку та власної добротності коливаннь у ВР, що враховує нерезонансні втрати у вузлі зв'язку.

2. Встановлено межі застосування методу пробного тіла для вимірювання розподілу полів у ВР. У малоапертурних ВР при невеликих міждзеркальних відстанях метод відновлення амплітудного розподілу поля по зсуву резонансної частоти є основним, тому що зміна добротності коливань і коефіцієнт передачі ВР при внесенні пробного тіла не дають достовірної інформації внаслідок перехоплення дзеркалами частини поля, розсіяного пробним тілом.

3. Показано, що радіаційні втрати в збуджуючому вузлі зв'язку носять складний характер поблизу резонансу, причому їхній мінімум не збігається з резонансною частотою навантаженої ВРС. Коефіцієнт ефективності збудження носить резонансний характер з максимумом на власній частоті ВР. Проведений аналіз ефективності вузлів зв'язку по виводу енергії з ВРС показав, що для хвилевідно-щілинного переходу ефективність виводу енергії становить = 0,92, а для відкритого кінця хвилеводу ефективність виводу енергії істотно нижче: = 0,58.

4. Запропоновані та дослідженні для застосування в ГДВ нові типи ВР, а саме: двохдзеркальний ВРБХ із дзеркалом у вигляді кругової зрізаної бочки та трьохдзеркальний ВРБХ, для перехоплення дифракційного випромінювання із широким кутовим спектром і можливістю роботи на ковзних кутах дифракційного випромінювання. Встановлено, що спектральний склад досліджуваних ВР складається із квазіосьових та кільцевих типів коливань. Отримано, що при значній зміні робочої напруги, частота збуджуваного коливання не змінюється від зміни напрямку дифракційного випромінювання в межах “дзеркального” кута, заданого конструкцією ВР.

5. Зроблена оцінка впливу омічних втрат залежно від ширини дифракційних ґраток при збудженні різних типів коливань і запропонована модифікована конструкція ГДВ з вузькими дифракційними ґратками, розміщеними в більш широкому каналі на дзеркалі ВР. Проведені вимірювання підтвердили збільшення навантаженої добротності ВР зі зменшенням ширини ґраток, а також збільшення вихідної потужності ГДВ при розрідженні спектру.

6. Запропонована конструкція та експериментально досліджені властивості коливань у ВР із циліндричними дзеркалами кінцевої довжини та аналога двовимірного ВР із закритичними скосами на краях дзеркал.

Експериментально виявлено і досліджено ефект резонансного підвищення добротності коливань у ВР із вставкою у вигляді провідного кругового циліндра. Виявлено два резонансних діаметри провідної вставки й установлена фізична природа підвищення добротності квазі-TEM_00q типу коливань для резонансних діаметрів провідної вставки. Розглянуто можливості по керуванню у ВР із провідними вставками спектром збуджуваних коливань, їхньою частотою й добротністю. Показано, що при використанні провідних вставок є практична можливість реалізувати ВР з перестроюванням частоти на одному (основному) типі коливань із добротністю, що наближається до омічної межі.

Підвищення дифракційної добротності TEM₀₀₅ - типу коливань за рахунок провідних вставок виявлено як у ВР із гладкими циліндричними дзеркалами, так і у ВР із закритичними скосами на краях дзеркал. Отримано підвищення в 2,5 рази добротності TEM₀₀₅ -типу коливань у ВР із закритичними скосами дзеркал при ефективному висвічуванні вищих TEM₁₀₄ і TEM₂₀₄ -типів коливань.

7. Експериментально виявлено і досліджено ефект підвищення добротності коливань у ВР із циліндричними дзеркалами за рахунок внесення в об'єм резонатора розсіюючих неоднорідностей у вигляді двох провідних циліндрів. Для випадку розміщення осей двох провідних циліндрів у площині, що перетинає всі пучності електричного поля основного TEM_00q-типу коливань ( ) для заданої геометрії дзеркал резонатора й обраного типу коливань (TEM₀₀₆) знайдено оптимальне значення діаметра провідних циліндрів. При розміщенні осей двох провідних циліндричних вставок у площині, яка перетинає тільки одну пучність електричного поля TEM_00q-типу коливань ( ), максимум добротності коливань залежить від діаметра вставок і відстані між їхніми осями.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ З ТЕМИ ДИСЕРТАЦІЇ

Miroshnichenko V.S., Senkevich Ye.B. Experimental determination of equivalent circuit parameters of an open resonator coupled to transmission lines //Telecommunications and Radio Engineering. - 2003. - Т.60. - P.45-60.

Мирошниченко В.С., Сенкевич Е.Б. Измерение параметров колебаний в открытом резонаторе с учетом радиационных потерь в узле связи // Вісник ХНУ ім.В.Н. Каразіна. - Радіофізика та електроніка. - 2002. - Вип.2, №570. - С.159-162.

Демченко М.Ю., Ермак Г.П., Мирошниченко В.С., Сенкевич Е.Б. Высокостабильный векторный анализатор миллиметрового диапазона радиоволн // Радиофизика и электроника. - Харьков: Ин-т радиофизики и электроники НАН Украины. - 2000. - Т.3, №2. - С.275-280.

Мележик П.Н., Мирошниченко В.С., Сенкевич Е.Б. Исследование структуры резонансного поля в открытом резонаторе методом пробного тела. Теория и эксперимент // Журнал технической физики. - 2006. - Т.76, №8. - С.115-122.

Корнеенков В.К. Сенкевич Е.Б., Скрынник Б.К. Генераторы дифракционного излучения с открытыми резонаторами, частично расположенными вне вакуума // Радиофизика и электроника. - Харьков: Ин-т радиофизики и электроники НАН Украины. - 2003. - Т.8, №2. - С.247-253.

Мележик П.Н., Мирошниченко В.С., Сенкевич Е.Б. Открытые резонаторы с проводящими цилиндрическими вставками. Ч.1 - Двухмерная модель // Изв. Вузов. Радиофизика. - 2005. - Т.48, №7. - С.596-604.

Мележик П.Н., Мирошниченко В.С., Сенкевич Е.Б. Открытые резонаторы с проводящими цилиндрическими вставками. Ч.2 - Резонаторы с зеркалами конечной длины // Изв. Вузов. Радиофизика. - 2005. - Т.48, №8. - С.684-691.

Мележик П.Н., Мирошниченко В.С., Сенкевич Е.Б. Открытый резонатор с двумя проводящими цилиндрическими вставками // Радиофизика и электроника. - Харьков: ИРЭ НАН Украины. - 2005. - Т. 10, №3. - С.351-356.

Demchenko M.Yu., Ermak G.P., Miroshnichenko V.S., Senkevich Ye.B. Millimeter vector analyzer for high Q-factor open resonator researchers // The 4th Int. Kharkov Symp. “Physics & Engineering of MM and SubMM Waves”, Kharkov, Ukraine, June 4-9. - 2001. - Vol.2. - P.615-617.

B.K. Skrynnik, B.S. Miroshnichenko, P.N. Melezhik, and Ye.B. Senkevich. A ring-shaped traveling-wave open resonator as part of the diffraction radiation oscillator // Proc. the 5-th International Kharkov Symposium on Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter and SubMillimeter Waves (MSMW'2004) (Ukraine, June 21 -26, Kharkov). - 2004. - Vol.2. - P.480-482.

B.K. Skrynnik, Ye.B. Senkevich, M.Yu. Demchenko, V.K. Korneenkov. A study of the difraction radiation oscillator for narrowing the diffraction structure // Proc. the 5-th International Kharkov Symposium on Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter and SubMillimeter Waves (MSMW'2004) (Ukraine, June 21-26, Kharkov). - 2004. - Vol. 2. - P.515-517.

Мирошниченко В.С., Демченко М.Ю., Сенкевич Е.Б., Скрынник Б.К. ГДИ мм диапазона с резонансной ступенчатой неоднородностью на зеркале // 15-я Международная Крымская конференция “СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии”. Севастополь, 12-16 сентября 2005г. Материалы конференции в 2-х томах. - 2005. - Т.1. - С.271-272.

Мележик П.Н., Мирошниченко В.С., Сенкевич Е.Б. Открытые резонансные системы мм диапазона с проводящими цилиндрическими вставками для генераторов дифракционного излучения //15-я Международная Крымская конференция “СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии”. Севастополь, 12-16 сентября 2005г. Материалы конференции в 2-х томах. - 2005. - Т.2. - С.589-590.

АНОТАЦІЯ

Сенкевич О.Б. Збудження електромагнітних коливань у відкритих резонансних системах генераторів міліметрового діапазону. - Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.03 - радіофізика. - Інститут радіофізики и електроніки імені О.Я. Усикова НАН України, Харків, 2006. Робота присвячена розробці нових типів відкритих резонансних систем (ВРС) з високою добротністю для вакуумних та напівпровідникових генераторів міліметрового діапазону та удосконаленню методів експериментального дослідження властивостей коливань у ВРС. Розроблені та досліджені у складі генератора дифракційного випромінювання (ГДВ) відкриті резонатори біжучої хвилі, як перспективні ВРС для перехоплення дифракційного випромінювання з широким кутовим спектром. Запропоновано метод векторних вимірювань властивостей коливань у ВРС із урахуванням радіаційних (нерезонансних) втрат у вузлі зв'язку. Досліджена ефективність збудження коливань у ВРС та виводу випромінювання ГДВ у навантаження для різних вузлів зв'язку. Одержано оцінку впливу дифракційних граток, що частково заповнюють канал у дзеркалі ВРС, на збудження коливань у ГДВ. Розглянуті особливості керування спектром та добротністю коливань в циліндричних ВР із провідними вставками. Підтверджено в експерименті ефект резонансного підвищення добротності коливань у циліндричному ВР із однією та двома провідними вставками у вигляді кругового циліндра. Показано, що за допомогою вставок є можливість реалізувати на практиці ВРС для напівпровідникового генератора з перестроюванням частоти на одному (основному) типі коливань із добротністю, що наближається до омічної межі. Ключові слова: коливання, добротність, радіаційні втрати, ефективність збудження, відкриті резонатори біжучої хвилі, циліндричний відкритий резонатор, генератори міліметрового діапазону.

АННОТАЦИЯ

Сенкевич Е.Б. Возбуждение электромагнитных колебаний в открытых резонансных системах генераторов миллиметрового диапазона. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.03 радиофизика. Институт радиофизики и электроники имени А.Я. Усикова НАН Украины, Харьков, 2006.

Работа посвящена разработке новых типов высокодобротных открытых резонансных систем (ОРС) для вакуумных и полупроводниковых генераторов миллиметрового диапазона и усовершенствованию методов экспериментального исследования особенностей колебаний в ОРС.

Предложена модификация метода определения параметров эквивалентной схемы замещения для ОРС с радиационными потерями в узле связи, в основу которого положена аппроксимация дробно-линейной функцией результатов измерений коэффициента отражения в частотной полосе резонансной кривой. Для симметричной резонансной кривой разработана скалярная методика измерения коэффициента связи и собственной добротности колебаний в ОРС, учитывающая “нерезонансные” потери в узле связи.

Исследована эффективность возбуждения колебаний в ОРС и вывода излучения генератора дифракционного излучения (ГДИ) в нагрузку для различных узлов связи. Показано, что радиационные потери в возбуждающем узле связи носят сложный характер вблизи резонанса, причем их минимум не совпадает с резонансной частотой нагруженной ОРС; коэффициент эффективности возбуждения носит резонансный характер с максимумом на собственной частоте ОР, а ширина резонансной кривой в зависимости от уровня радиационных потерь может быть как шире, так и уже полосы пропускания ОРС.

Разработаны и исследованы в составе ГДИ открытые резонаторы бегущей волны (ОРБВ) (двухзеркальный ОРБВ с зеркалом в виде круговой усеченной бочки и трехзеркальный ОРБВ), как перспективные ОРС для перехвата дифракционного излучения с широким угловым спектром и возможностью работы на скользящих углах. Установлено, что спектральный состав исследуемых ОРБВ состоит из квазиосевых и кольцевых типов колебаний. Работа ГДИ в режиме бегущей волны реализуется на кольцевых TEM_01q и TEM_03q типах, причем частота генерации не изменяется от перемены угла запитки резонатора дифракционным излучением. Проведена оценка влияния дифракционных решеток, частично покрывающих зеркало ОРС, на возбуждение колебаний в ГДИ. Предложена модифицированная конструкция ГДИ с узкой дифракционной решеткой, помещенной в более широкий паз на зеркале, что позволило увеличить нагруженную добротность колебательного контура, выходную мощность ГДИ и коэффициент эффективности запитки дифракционным излучением, разредить спектр возбуждаемых колебаний.

Рассмотрены особенности управления спектром и добротностью колебаний в цилиндрических ОР с проводящими вставками. Впервые экспериментально подтвержден эффект резонансного повышения добротности колебаний в ОР с одной и двумя проводящими вставками в виде кругового цилиндра. Обнаружены два резонансных диаметра проводящей вставки и установлена физическая природа повышения добротности квази-TEM_00q типа колебаний, заключающаяся в деструктивной интерференции поля рассеянного ОР и вставкой. Исследованы характеристики колебаний в ОР с гладкими цилиндрическими зеркалами и в ОР с закритическими скосами на краях зеркал. Получено повышение в 2,5 раза добротности основного типа колебаний в ОР с закритическими скосами зеркал и проводящей вставкой при эффективном высвечивании высших типов колебаний.

Продемонстрирована возможность осуществления перестройки ОР с двумя проводящими вставками на основном типе колебаний в широком диапазоне частот. Проведены эксперименты по оптимизации размеров и расположения цилиндрических проводящих вставок в объеме ОР. Показано, что с использованием проводящих вставок имеется практическая возможность реализовать ОРС для полупроводникового генератора с перестройкой на одном (основном) типе колебаний и добротностью, приближающейся к омическому пределу.

Ключевые слова: колебания, добротность, радиационные потери, эффективность возбуждения, открытые резонаторы бегущей волны, цилиндрический открытий резонатор, генераторы миллиметрового диапазона.

SUMMARY

Senkevich Ye.B. Electromagnetic modes excitation in open resonant systems of a millimeter wave range oscillators.- Manuscript.

Thesis for candidate's degree in Physics and Mathematics by speciality 01.04.03 - radiophysics. - A.Ya.Usikov's Institute of radiophysics and electronics of the NAS of Ukraine, Kharkov, 2006.

Dissertation is devoted to the designed of new types of the high Q-factor open resonant systems (ORS) for vacuum and semiconducting of a millimeter-wave oscillators and refinement of the experimental investigation methods of the oscillations peculiarities in ORS. The ring-shaped traveling-wave open resonators as a part of the diffraction radiation oscillator (DRO) are designed and examined as the perspective ORS for interception of diffraction radiation with a wide angular spectrum. The vector measuring method of the oscillations peculiarities in ORS with radiation (nonresonance) losses in a coupling element is offered. The excitation efficiency of the oscillations in ORS and energy output from DRO in a loading for different coupling elements is investigated. The peculiarities of a spectrum control and Q-factor of oscillations in cylindrical OR with conductive inserts are considered. The effect of a resonant rising of modes Q-factor in OR with one and two conductive inserts as the circular cylinder is confirmed experimentally. Is shown, that with use of the conductive inserts there is a practical possibility to implement ORS for the semiconducting oscillators with retuning on one (basic) mode type and Q-factor, which is coming nearer to an ohmic limit.

Keywords: modes, Q-factor, radiation losses, excitation efficiency, traveling-wave open resonators, cylindrical resonator, millimeter-wave oscillators.

Размещено на Allbest.ru

...