Відкриті електродинамічні системи з внутрішніми неоднорідностями

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Інститут радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова

УДК 621.372.413:621.372.8

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук

Відкриті електродинамічні системи з внутрішніми неоднорідностями

01.04.03 - радіофізика

Кузьмичов Ігор Костянтинович

Харків - 2009

Дисертацією є рукопис.

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

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 твердотільной електроніки;

доктор фізико-математичних наук, професор Дробахін Олег Олегович Дніпропетровський національний університет імені Олеся Гончара, завідувач кафедри прикладної і комп'ютерної радіофізики;

доктор фізико-математичних наук, професор Погарський Сергій Олександрович Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна, професор кафедри фізики НВЧ.

Захист відбудеться " 3 " грудня 2009 р. в 15⁰⁰ на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.157.01 Інституту радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України за адресою: 61085, м. Харків, вул. Ак. Проскури, 12.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України за адресою: 61085, м. Харків, вул. Ак. Проскури, 12.

Автореферат розісланий " 2 " листопада 2009 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Л.А. Рудь

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. У міліметровому діапазоні довжин хвиль відкриті електродинамічні системи використовуються для вирішення наукових задач спектроскопії, діелектрометріі, діагностики плазми, радіолокації. Вони також застосовуються як резонансні системи джерел електромагнітних коливань. У всіх випадках іх практичного використання в резонансному об'ємі розташовуються різні неоднорідності, які погіршують не тільки спектральні і енергетичні характеристики таких систем, а й призводять до просторового спотворення амплітудно-фазового розподілу поля коливань. В умовах освоєння субміліметровому діапазонах довжин хвиль ці фактори перешкоджають використанню відкритих електродинамічних систем для вирішення широкого кола наукових і прикладних задач.

При проведенні різного роду вимірювань відкрита електродинамічна система повинна мати одночастотний відгук в широкій смузі частот. Для збудження коливань в таких резонансних системах використовуються, як правило, зосереджені елементи зв'язку. Оскільки діаграма спрямованості таких елементів зв'язку ширша за кутову апертуру протилежного дзеркала відкритого резонатора (ВР), то частина енергії, що поступає в резонансний об'єм, випромінюється в довколишній простір. А та частина енергії, що перехоплюється другим дзеркалом резонатора, не вся перейде в робоче коливання через відмінність структур збуджуючого і робочого коливань. Це може призвести до збудження в резонансному об'ємі вищих коливань. Тому для кутової селекції спектру необхідно вживати додаткових заходів. На підставі сказаного можна зробити висновок, що спектральний склад випромінювання ВР безпосередньо пов'язаний з ефективністю збудження коливань в резонансному об'ємі. Для її оцінки запропоновано застосовувати вираз, що визначає коефіцієнт використання поверхні (КВП) антен. Проте питання правомірності використання цього виразу для аналізу особливостей збудження коливань у резонансних системах залишається відкритим і вимагає обґрунтування.

На поверхні одного з дзеркал ВР можуть розташовуватися відбивні дифракційні грати (ВДГ), які також є внутрішньою неоднорідністю для резонансної системи. Окрім розрідження спектру ВДГ, будучи дисперсійним елементом, може приводити до взаємодії коливань поблизу особливих точок спектру (ОТС). Розрізняють вироджену і невироджену ОТС. Інтерес до невиродженої ОТС пов'язаний з можливістю підвищити стабільність частоти генератора дифракційного випромінювання (ГДВ). На сьогоднішній день експериментально виявити в резонансній системі ГДВ невироджену ОТС не вдавалося.

При включенні ВР до складу хвилеводної лінії передачі величина зв'язку з навантаженням залежно від конкретних цілей має бути різною. Проте створення ВР з наперед заданою величиною зв'язку є складним технічним завданням. У цьому плані перспективним може бути апертурний елемент зв'язку у вигляді пірамідального рупора. Для побудови ВР прохідного типу з апертурним зв'язком необхідно проаналізувати особливості збудження вищих коливань у відкритій електродинамічній системі, включеній до складу хвилеводної лінії передачі.

Розміри дзеркал резонатора цілком визначають габарити приладів і пристроїв з відкритою електродинамічною системою. Отже, вирішення проблеми мініатюризації напряму пов'язано зі зменшенням габаритів резонансної системи. Тому питання про гранично досяжні розміри дзеркал ВР, при яких в резонансній системі існуватимуть високодобротні коливання, розподіл полів яких описується тими ж функціями, що і в довгофокусних резонаторах, і вивчення основних властивостей таких відкритих електродинамічних систем, вимагає проведення додаткових досліджень.

Відкриті електродинамічні системи застосовуються для вимірювання електрофізичних параметрів речовин. При цьому резонансним методом визначати параметри речовин з великими втратами можливо лише в окремих випадках, та й то при малих коефіцієнтах заповнення вимірюваним зразком об'єму резонатора. Технічні складнощі виникають також при дослідженні за допомогою ВР зразків циліндричної форми. Ці проблеми можна успішно вирішити в разі існування в резонансному об'ємі коливання "волове око", яке являє собою комбінацію двох ортогонально поляризованих коливань ТЕМ_01q (q - поздовжній індекс коливання). Вперше спроби збудити подібне коливання у відкритій електродинамічній системі були зроблені Zimmerer R.W. (1963), Primich R.I. and Hayami R.A. (1964). Проте вони виявлялися безуспішними. Тому представляє практичний інтерес дослідження відкритих електродинамічних систем, що містять неоднорідності у вигляді відрізків круглих надрозмірних хвилеводів, з метою збудження в таких системах коливань "волове око".

Відкриті електродинамічні системи застосовуються також при побудові твердотільних генераторів в міліметровому діапазоні. Для одержання максимальної вихідної потужності низькоомний активний елемент має бути узгоджений з високоомним ВР. Один з можливих шляхів вирішення цієї проблеми - винесення активного елементу з резонансного об'єму. Для цих цілей може використовуватися відрізок надрозмірної коаксіальної лінії передачі, в розриві центрального провідника якої розташовано напівпровідниковий діод. Але при цьому відкритими залишаються питання ефективності збудження хвилі ТЕМ і непоширення вищих типів хвиль в такому хвилеводі. В даний час активно досліджуються відкриті електродинамічні системи, на одному з дзеркал яких як активні випромінювачі розташовані мікросмужкові антенні грати. Інтерес до таких систем пов'язаний з тим, що окрім винесення активного елементу з об'єму ВР, за їх допомогою можна скласти потужності декількох напівпровідникових діодів. При цьому для підвищення ефективності збудження робочого коливання в ВР ширина діаграми спрямованості планарної антени, яка складає з активним елементом єдине ціле в площині протилежного дзеркала ВР, повинна збігатися з діаметром плями поля збудженого коливання.

Таким чином, перераховані питання складають актуальну проблему сучасної радіофізики - необхідність встановлення фізичних явищ і закономірностей, що забезпечують ефективне збудження, взаємодію і перетворення коливань у відкритих електродинамічних системах, які мають малі геометричні розміри і містять різні неоднорідності.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація є узагальненням результатів досліджень, які проводилися автором в Інституті радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України з 1995 р. по 2008 р. в рамках держбюджетних науково-дослідних робіт: "Розвиток нових методів збудження відкритих структур, дослідження процесів генерування, посилення і стабілізації приладів дифракційної електроніки, створення нових радіосистем і елементної бази в міліметровому і субміліметровому діапазоні хвиль" (Шифр "Аргумент", 1997 р., № держреєстрації 0193U042279, виконавець); "Дослідження крайових кооперативних середовищ поблизу критичних точок дисперсійних рівнянь з метою вивчення нелінійних еволюційних процесів в радіофізиці і електроніці міліметрових хвиль" (Шифр "Аякс", 2000 р., № держреєстрації 0198U001474, виконавець); "Електродинаміка відкритих структур, розробка джерел і радіосистем, у тому числі шумових, міліметрового і субміліметрового діапазонів" (Шифр "Старт", 2003 р., № держреєстрації 0100U006442, виконавець); "Електродинаміка відкритих резонансних систем і періодичних структур, розробка широкодіапазонних джерел електромагнітного випромінювання міліметрового діапазону (Шифр "Старт-1", 2006 р., № держреєстрації 0103U002259, відповідальний виконавець).

Мета і завдання дослідження. Мета дисертаційної роботи полягає у визначенні та узагальненні основних фізичних явищ і закономірностей, що забезпечують ефективне збудження коливань і керування їх властивостями в малорозмірних відкритих електродинамічних системах при зміні форми, розмірів та місцезнаходження в резонансному обсязі різних внутрішніх неоднорідностей.

Для досягнення поставленої мети необхідно було розв'язати такі основні завдання:

- теоретично обгрунтувати застосовність КВП антен для аналізу ефективності збудження високодобротних коливань у відкритих електродинамічних системах;

- розробити методику і провести дослідження з аналізу взаємодії високодобротних коливань поблизу ОТС у відкритих електродинамічних системах, що містять дисперсійні елементи;

- обгрунтувати можливість збудження коливань "волове око" у відкритих електродинамічних системах;

- провести теоретичний аналіз ефективності збудження різних коливань у відкритій електродинамічної системі, включеній до складу хвилеводної лінії передачі, при зміні форми і розмірів збуджуючих елементів зв'язку;

- теоретично визначити параметри одновимірних дифракційних грат, що розташовуються в розкривах елементів зв'язку, і забезпечують узгодження відкритих електродинамічних систем з підвідними хвилеводними лініями передачі;

- теоретично визначити умови оптимального збудження основної хвилі в коаксіальному хвилеводі, виконаному в центрі одного з дзеркал, за допомогою вищих неаксіально-симетричних коливань відкритої електродинамічної системи;

- визначити параметри мікросмужкових антенних грат, що забезпечують оптимальне узгодження відкритих електродинамічних систем, які

містять такі елементи, з підвідними трактами надзвичайно високих частот (НВЧ) і збудження в резонансному об'ємі коливань з максимальною ефективністю.

Об'єкт досліджень - фізичні процеси збудження, взаємодії і перетворення хвилевих пучків у відкритих електродинамічних системах.

Предмет досліджень - особливості збудження і керування властивостями високодобротних коливань у відкритих електродинамічних системах, що мають малі електричні розміри і містять різні неоднорідності.

Методи досліджень. Для розв'язання поставлених в роботі завдань використано основні методи квазіоптики і відомі чисельні методи розв'язання задач електродинаміки. Для кількісного експериментального вивчення досліджуваних в роботі явищ застосовуються добре відомі і такі, що зарекомендували себе на практиці, методи вимірювальної техніки НВЧ.

Наукова новизна одержаних результатів. У дисертаційної роботі на підставі теоретичного аналізу та експериментальних досліджень встановлено та узагальнено фізичні явища і закономірності, які забезпечують ефективне збудження, взаємодію і перетворення коливань у відкритих електродинамічних системах з внутрішніми неоднорідностями. При цьому отримано такі нові результати:

1. Вперше на підставі теоретичного аналізу і експериментальних досліджень обґрунтовано застосування КВП антен для аналізу ефективності збудження коливань у відкритих електродинамічних системах.

2. Вперше виявлено невироджену особливу точку спектру (ОТС) у малорозмірній відкритій електродинамічній системі ( = 10-15, = 3-5, и - радіуси кривизни і апертури дзеркал резонатора, - довжина хвилі), що містить дисперсійні елементи, і показано, що у взаємодію вступають високодобротні коливання, які відносяться до одного класу симетрії.

3. Вперше, на підставі аналізу поведінки основного коливання у відкритій електродинамічній системі, встановлено існування коливання типу "шепочучої галереї", яке локалізоване на поверхні дзеркала, що має криволінійну форму, і взаємодіє з даним коливанням. Показано, що коливання типу "шепочучої галереї" збуджуються не лише в традиційних довгофокусних, але і в малорозмірних резонансних системах.

4. Вперше, на підставі проведених досліджень зі збудження вищих коливань в резонансному об'ємі, створені відкриті електродинамічні системи прохідного типу з апертурним зв'язком, які мають наперед задані параметри, такі як навантажена добротність, резонансні коефіцієнти відбиття і передачі.

5. На підставі теоретичного аналізу і експериментальних досліджень встановлено межу зменшення розмірів дзеркал, при якому у відкритій електродинамічній системі ще існують високодобротні коливання.

6. Запропоновано нові відкриті електродинамічні системи гібрідного типу, які утворені напівсферичним дзеркалом і плоским відбивачем, в центрі якого розташовані відрізки закорочених надрозмірних круглих або коаксіальних хвилеводів. За допомогою таких ВР при визначеній орієнтації і розмірах вхідної і вихідної щілин зв'язку вдалося вперше:

- збудити в них коливання "волове око", відмінна особливість якого полягає в тому, що в ВР з відрізком круглого хвилеводу воно має - компоненту поля, а в резонаторі з відрізком коаксіального хвилеводу - - компоненту поля;

- забезпечити одночастотний відгук таких резонансних систем у смузі частот порядку 10 ГГц в діапазонах довжин хвиль 8 і 4 мм.

7. Показана принципова можливість узгодження імпедансів високоомного ВР і низькоомної мікросмужкової грати, розташованої на поверхні одного з дзеркал відкритої електродинамічної системи.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблено науково-технічну основу для створення приладів і пристроїв у міліметровому і субміліметровому діапазонах довжин хвиль на базі відкритих електродинамічних систем з внутрішніми неоднорідностями, характеристики яких перевищують існуючі аналоги. Зокрема:

1. Проведений аналіз взаємодії двох високодобротних коливань поблизу невиродженої ОТС відкритої електродинамічної системи, що містить дисперсійні елементи, а також теоретичні і експериментальні дослідження меж зменшення апертур дзеркал такої резонансної системи знайдуть практичне використання при створенні електровакуумних приладів дифракційної електроніки, що мають малі габарити і високу стабільність частоти.

2. Результати досліджень зі збудження високодобротного коливання "волове око" у відкритій електродинамічній системі, утвореній напівсферичним ВР та відрізком закороченого надрозмірного круглого хвилеводу, використовуються в ІРЕ ім. О.Я. Усикова НАН України для вимірювання резонансним методом електрофізичних параметрів речовин в міліметровому діапазоні довжин хвиль.

3. Результати теоретичного аналізу і експериментальних досліджень збудження основної хвилеводної хвилі в коаксіальній лінії передачі, розташованій в центрі одного з дзеркал відкритої електродинамічної системи, використовуються в ІРЕ ім. О.Я. Усикова НАН України та НДІ "Оріон" (м. Київ) при побудові твердотільних джерел електромагнітного випромінювання в восьмиміліметровому діапазоні довжин хвиль.

4. Проведені теоретичні і експериментальні дослідження з вибору параметрів одновимірних дифракційних граток, що розміщуються в розкривах елементів зв'язку, які забезпечують збудження з високою ефективністю у відкритих електродинамічних системах першого вищого неаксіально-симетричного коливання, знайшли практичне використання при створенні фільтрів в міліметровому діапазоні довжин хвиль з наперед заданими значеннями резонансних коефіцієнтів відбиття і передачі, а також навантаженої добротності.

5. Результати теоретичних і експериментальних досліджень узгодження низькоомних мікросмужкових антенних грат з високоомними відкритими електродинамічними системами використано при створенні суматорів потужності діодів Ганна восьмиміліметрового діапазону довжин хвиль.

Особистий внесок здобувача. Фізичні ідеї, методи досліджень і наукові висновки належать авторові особисто. У роботах [2, 10, 13, 17, 19, 23-25, 30, 36], опублікованих в співавторстві, особистий внесок автора полягає в постановці завдань, проведенні теоретичного аналізу і експериментальних досліджень, в обробці і фізичній інтерпретації отриманих результатів. У роботах [4, 5, 26, 27, 29] автор виконав огляд літератури, постановку завдання, розробив методику проведення експериментів, а також взяв участь в інтерпретації результатів вимірювань. У роботах [12, 14, 16, 18, 32-35, 37, 38] авторові належить розробка методик проведення експериментальних досліджень, обробка і фізична інтерпретація отриманих результатів. У роботах [20, 39] автор запропонував резонансну систему для теоретичного аналізу, методику проведення експериментальних досліджень. Автор був ініціатором більшості спільних робіт.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи неодноразово обговорювалися на науково-кваліфікаційних семінарах "Теорія дифракції та дифракційна електроніка" і "Радіофізіка і електроніка мм і субмм діапазонів довжин хвиль" Інституту радіофізики і електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України, а також доповідалися на міжнародних конференціях, симпозіумах і семінарах: International Kharkov Symposium "Physics and Engineering of Millimeter and Submillimeter Waves" (Kharkov, 1998, 2001, 2004, 2007), International seminar/workshop on "Direct and inverse problems of electromagnetic and acoustic wave theory" (Lviv, 1997, 2005), Международная Крымская конференция "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии" (Севастополь, 2006, 2008), Международная научно-техническая конференция "Физика и технические приложения волновых процессов" (Самара, Россия, 2006, Казань, Россия, 2007), Международная научная конференция "Излучение и рассеяние электромагнитных волн" (Таганрог, Россия, 2007).

Публікації. Основні результати дисертації опубліковано в 22 статтях у вітчизняних фахових наукових виданнях і зарубіжних журналах, що рецензуються, та в 14 тезах в працях міжнародних і всеукраїнських конференцій, симпозіумів і семінарів; отримано 3 патенти України на винаходи.

Об'єм і структура роботи. Дисертація складається із вступу, переліку умовних скорочень і позначень, шести розділів, висновків, списку використаних джерел і додатка. Її повний обсяг складає 340 сторінок, з них 291 сторінка основного тексту. Дисертація містить 99 рисунків (з них 11 на 9 окремих сторінках) і 1 таблицю. Список використаних джерел на 39 сторінках нараховує 320 найменувань. Додаток займає 1 сторінку.

Основний зміст роботи

У Вступі обгрунтовано актуальність дисертаційної роботи, сформульовано проблему, мету і завдання досліджень, відображено їх зв'язок з науковими програмами, планами і темами, наукову новизну отриманих результатів і їх практичне значення, показано особистий внесок дисертанта, а також наведено дані про апробацію результатів роботи.

Перший розділ присвячено огляду літератури і аналізу досягнутого рівня досліджень за темою дисертації. У огляді розглянуто існуючі способи збудження коливань у відкритих електродинамічних системах і вплив різних елементів зв'язку на їх енергетичні і спектральні характеристики. Відбивні дифракційні грати, розташовані на одному з дзеркал ВР, також є внутрішньою неоднорідністю для резонансної системи. І як показано в розділі, такі грати, окрім впливу на спектральні характеристики і на розподіл хвильових полів коливань в резонансному об'ємі, можуть приводити до явища міжтипової взаємодії коливань поблизу ОТС. Окрім цього, внутрішніми неоднорідностями для відкритої електродинамічної системи є зразки різних матеріалів, електрофізичні параметри яких вимірюються за допомогою методу ВР, напівпровідникові діоди з пристроями кріплення і підведеннями живлення при побудові на базі ВР твердотільних генераторів в міліметровому діапазоні. Одне з рішень цієї проблеми пов'язано з використанням мікросмужкової антенної грати, розташованої в резонансному об'ємі. Проведений огляд літератури показує, що дослідження відкритих електродинамічних систем, які містять внутрішні неоднорідності є актуальним завданням радіофізики. Крім того, широкому використанню ВР в різних приладах і пристроях міліметрового діапазону довжин хвиль перешкоджають їх значні геометричні розміри. Таким чином, актуальним завданням радіофізики є встановлення та узагальнення фізичних явищ і закономірностей, які забезпечують збудження з високою ефективністю коливань та управління їх основними властивостями в малорозмірних відкритих електродинамічних системах, що містять внутрішні неоднорідності у вигляді: елементів зв'язку для введення або виведення енергії, дифракційних грат, зразків вимірюваних матеріалів, відрізків надрозмірних хвилеводів, напівпровідникових діодів або транзисторів, а також мікросмужкових антенних грат.

У другому розділі проведено обгрунтування застосовності виразу, що використовується в антенній техніці при знаходженні КВП антен, для оцінки ефективності збудження коливань в резонансному об'ємі. За допомогою цього функціонала проаналізовано збудження різних коливань в ВР напівсферичної геометрії, введеного до складу хвилеводної лінії передачі.

У підрозділі 2.1 розглянуто збудження власних коливань за допомогою падаючого поля. В результаті проведених теоретичних досліджень було отримано вираз, що визначає ефективність збудження коливань у відкритих електродинамічних системах. Як приклади, розглянуто ефективність збудження основного коливання ТЕМ_00q в ВР через напівпрозору апертуру одного з дзеркал гаусовим пучком нульового порядку ТЕМ₀₀. Віддзеркаленням від вхідного дзеркала нехтуємо і вважаємо, що апертури дзеркал нескінченні. Чисельні дослідження проведено для декількох випадків: вхідне дзеркало ВР плоске і на його поверхні знаходиться горловина падаючого гаусова пучка; вхідне дзеркало ВР плоске, тільки в цьому випадку падаючий гаусів пучок в площині аналізу характеризується діаметром плями поля і радіусом кривизни фазового фронту ; вхідне дзеркало ВР сферичне з радіусом кривизни і на його поверхні падаючий гаусів пучок має діаметр плями поля і радіус кривизни фазового фронту .

У підрозділі 2.2 вивчено ефективність збудження основного і перших вищих коливань в напівсферичному ВР за допомогою зосереджених елементів зв'язку. Геометричні розміри і прямокутного хвилеводу, розташованого в центрі плоского дзеркала резонатора, і в якому поширюється хвиля ТЕ₁₀, обираються з умови отримання максимальної ефективності збудження коливання ТЕМ_00q. В цьому випадку ефективність збудження першого вищого коливання ТЕМ_20q, амплітудний розподіл поля якого описується функціями Эрміта-Гауса, дорівнюватиме нулю. Аналогічна ситуація має місце при збудженні резонатора круглим хвилеводом, який розміщено в центрі плоского дзеркала і в якому поширюється хвиля ТЕ₁₁. При цьому ефективність збудження першого вищого аксіально-симмметричного коливання ТЕМ_10q в ВР дорівнюватиме нулю. Таким чином, за рахунок правильного вибору геометричних розмірів зосередженого елементу зв'язку можна забезпечити кутову селекцію спектру коливань у відкритій електродинамічній системі.

У підрозділі 2.3 проаналізовано ефективність збудження хвилі ТЕ₀₁ у відрізку круглого хвилеводу, розташованого в центрі плоского дзеркала резонатора, за допомогою першого вищого неаксіально-симетричного коливання ТЕМ_01q, амплітудний розподіл поля якого описується функціями Лягерра-Гауса. В результаті проведених досліджень встановлено, що при оптимальних розмірах круглого хвилеводу ефективність збудження хвилі ТЕ₀₁ дорівнює 0,784. За допомогою аксіально-симетричного коливання "волове око" ефективність збудження хвилі ТЕ₀₁ в круглому хвилеводі можна збільшити до 0,967. Проведені дослідження дозволили зробити важливий практичний висновок, що у відкритій електродинамічній системі, що містить відрізок круглого хвилеводу, розміри якого однозначно пов'язані з геометрією резонатора і довжиною хвилі, з високою ефективністю повинно збуджуватися коливання "волове око".

У третьому розділі експериментально досліджено взаємодію високодобротних коливань поблизу невиродженої і виродженої ОТС. Проаналізовано поведінку цих коливань при зміні відстані між відбивачами і переміщенні ВДГ відносно поверхні дзеркала. Всі вимірювання виконано в чотирьохміліметровому діапазоні довжин хвиль.

У підрозділі 3.1 розглянуто взаємодію коливань у резонансній системі ГДВ поблизу невиродженої ОТС. Дифракційна гратка, будучи сильною фазовою неоднорідністю для такої відкритої електродинамічної системи, істотним чином змінює її спектральні характеристики, що у результаті і дозволило виявити невироджену ОТС. При зміні відстані між дзеркалами у взаємодію вступають два високодобротні коливання резонансної системи квазі-ТЕМ_20q і квазі- ТЕМ_40q. При дослідженні поведінки резонансних коефіцієнтів передачі даних коливань показано, що при великих відстанях домінуючим коливанням є квазі-ТЕМ_40q. Після переходу через ОТС відбувається взаємне перетворення коливань: коливання квазі-ТЕМ_40q різко затухає, тоді як коливання квазі-ТЕМ_20q стає більш високодобротним. Для розуміння фізичної природи явища міжтипової взаємодії коливань в ВР з ВДГ в підрозділі вивчено поведінку їх навантажених добротностей і дисперсійних залежностей при зміні відстані. У момент переходу через ОТС досліджувані коливання взаємно перетворюються і обмінюються енергіями, а при подальшому зменшенні відстані між дзеркалами вони різко розходяться по різним гілкам дисперсійних характеристик. У таку взаємодію можуть вступати лише ті високодобротні коливання, які відносяться до одного класу симетрії.

У підрозділі 3.2 досліджувався вплив підняття ВДГ відносно поверхні дзеркала резонатора на закон дисперсії високодобротних коливань поблизу ОТС. Резонатор має такі ж геометричні розміри, як і в попередньому підрозділі. Вимірювання проведено в чотирьохміліметровому діапазоні довжин хвиль. Добре відомо, що переміщення гратки відносно поверхні дзеркала далеко від ОТС дозволяє вирівнювати різницю фаз хвиль, відбитих від гратки і поверхні самого дзеркала, а це, у свою чергу, приведе до зміни амплітуд збуджуваних коливань. В результаті проведеного аналізу встановлено, що за допомогою зміни положення ВДГ відносно поверхні дзеркала резонатора поблизу невиродженої ОТС можна: встановлювати наявність самої ОТС; керувати дисперсією поблизу цієї точки; організовувати виникнення або зникнення ОТС. У даному підрозділі також проаналізовано еволюцію двох високодобротних коливань, кожне з яких з підняттям гратки перетворюється на "кущ" коливань. Виявляється, що коливання, типові для ВР ГДВ, можна представити двома і більш типами коливань, які збуджуються в ВР без гратки. Дослідження проведено для коливань квазі-ТЕМ₂₀₁₄ і квазі -ТЕМ₄₀₁₃, які в напівсферичному ВР з ВДГ існують в чистому вигляді. Коливання квазі-ТЕМ₂₀₁₄ у міру підведення гратки поступово перетворюється на основне коливання ТЕМ₀₀₁₄. Це коливання існує практично в чистому вигляді при піднятті гратки над поверхнею плоского дзеркала резонатора на величину =0,55 мм. У цьому випадку повністю скомпенсовано фазову неоднорідність, що вноситься дифракційною граткою в об'єм ВР. Аналогічна ситуація відбувається і для коливання квазі-ТЕМ₄₀₁₃.

У підрозділі 3.3 розглянуто взаємодію двох високодобротних коливань поблизу невиродженої і виродженої ОТС. Відомо, що у відкритих електродинамічних системах взаємодія коливань виникає за рахунок малих збурень, які неминучі за наявності елементів зв'язку на дзеркалах і спотворенні форми межі розділу. При цьому власні частоти двох різних коливань збігаються, а взаємодія відбувається поблизу виродженої ОТС. Як показано в попередніх підрозділах, за наявності дифракційної гратки на поверхні одного з дзеркал ВР в резонансній системі може існувати невироджена ОТС, поблизу якої два коливання, що вступають у взаємодію, інтенсивно обмінюються енергією, а після переходу через неї взаємоперетворюються. Це дозволяє передбачити, що поблизу цих точок взаємодіючі коливання поводяться по-різному. На підставі проведених експериментальних досліджень показано, що поведінка резонансних коефіцієнтів передачі, навантажених добротностей і дисперсійних характеристик досліджуваних коливань поблизу вказаних особливих точок спектру дійсно відрізняється.

У підрозділі 3.4 вивчено збудження коливань типу "шепочучої галереї", які локалізуються поблизу криволінійної поверхні дзеркал ВР і взаємодіють з основним коливанням резонатора. Досліджуваний напівсферичний ВР збуджується щілинним елементом зв'язку з розмірами 3,6Ч0,18 мм, розташованим в центрі криволінійного відбивача. Проведені дослідження показали, що в напівсферичному ВР коливання типу "шепочучої галереї" локалізовано на вігнутій поверхні сферичного дзеркала резонатора в площині вектора основної хвилі в підвідному хвилеводі і взаємодіє з коливанням ТЕМ_00q. Якщо сферичне дзеркало ВР з радіусом кривизни замінити системою плоске дзеркало - плоскоопукла діелектрична лінза з фокусною відстанню , то ми отримаємо дзеркально-лінзовий резонатор з лінзою з фторопласту, еквівалентний напівсферичному ВР. Саме для такої відкритої електродинамічної системи було проведено дослідження з виявлення коливань типу "шепочучої галереї". Як виявилось, і в такому резонаторі збуджуються дані коливання, які взаємодіють з основним коливанням квазі-ТЕМ_00q. Тільки тепер вони локалізуються поблизу опуклої поверхні діелектричної лінзи.

Метою теоретичних і експериментальних досліджень, описаних в четвертому розділі, є вивчення особливостей збудження коливань в прохідних і малорозмірних ВР і визначення ефективності збудження коливань різнимі елементамі зв'язку.

У підрозділі 4.1 проаналізовано ефективність збудження першого вищого неаксіально-симетричного коливання ТЕМ_10q в напівсферичному ВР за допомогою одного і двох прямокутних хвилеводів перерізом , в кожному з яких поширюється хвиля ТЕ₁₀. Відкриті кінці хвилеводів виконані на плоскому дзеркалі резонатора і розташовані симетрично відносно площини, що проходить через його вісь. При збудженні коливання ТЕМ_10q одним відкритим кінцем хвилеводу максимальна величина =0,433. В разі збудження даного коливання за допомогою двох хвилеводів, що мають оптимальні поперечні розміри, ефективність збудження коливання ТЕМ_10q в ВР зросте до значення 0,866. Оскільки поперечні розміри кожного з хвилеводів становлять кілька довжин хвиль, то вони є надрозмірними. Тому для збудження в резонаторі коливання, що розглядається, необхідно застосовувати пірамідальні рупори, які являють собою перехід з основного перерізу хвилеводу на розширений. Для регулювання зв'язку ВР з хвилеводним трактом використовуються одновимірні дифракційні грати (-поляризація), які розташовуються в розкривах таких апертурних елементів зв'язку. У підрозділі проаналізовано поведінку резонансних коефіцієнтів відбиття і передачі, а також навантаженої добротності залежно від величини резонансних втрат і прозорості дротяних грат при різній ефективності збудження коливання ТЕМ_10q в даному ВР. З метою експериментальної перевірки виконаних розрахунків було проведено дослідження прохідного напівсферичного ВР в чотирьохміліметровому діапазоні довжин хвиль, в якому збуджується коливання ТЕМ₁₀₁₅. Відмінність розрахункових і експериментальних даних не перевищує 13%. Це пов'язано з тим, що використовувані при розрахунках вирази для навантаженої добротності, а також резонансних коефіцієнтів відбиття і передачі були отримані при розв'язанні задачі в наближенні плоских хвиль і ідеальної провідності дротяних елементів грат.

У підрозділі 4.2 в результаті апроксимації експериментальних даних отримано вираз, з якого, знаючи величину навантаженої добротності досліджуваного коливання і довжину хвилі, можна вибрати діаметр розсіюючого зонда для вимірювання амплітудного розподілу поля в ВР. Вимірювання виконано в чотирьохміліметровому діапазоні довжин хвиль. Вимірювання проведено для типу коливань ТЕМ₀₀₁₂. При цьому значення навантаженої добротності резонансної системи, виміряні по півширині резонансної кривої, варіюються в широких межах від 2620 до 300 за рахунок зміни періодів одновимірних дифракційних грат (-поляризація), що розташовуються в розкриві апертурного елементу зв'язку. Відносна похибка вимірювання складає 9% - 4%. У експерименті використовуються грати з періодами 0,1 мм, 0,2 мм, 0,4 мм, 0,6 мм і 0,78 мм. В результаті проведених досліджень побудовано залежність наведеного діаметру зонда від величини . За допомогою одного з відомих методів апроксимації отримано рівняння, що описує отриману експериментальну залежність.

З метою перевірки виконаних досліджень в підрозділі проаналізовано амплітудний розподіл поля в малорозмірному ВР. Дослідження проведено для коливання ТЕМ₀₀₅. Навантажена добротність для цього коливання дорівнює 490. Обчислений з отриманої формули наведений діаметр розсіюючого зонда дорівнював 0,329, або в абсолютних величинах - 1,35 мм. Виміряний розподіл поля досліджуваного коливання з достатньою для практичних цілей точністю збігається з розрахунковим.

У підрозділі 4.3 з використанням прямого перетворення Фур'є, що визначає кутовий спектр поля, отримано трансцендентне рівняння, за допомогою якого встановлено межу зменшення розмірів дзеркал напівсферичного ВР, в якому збуджується нижчий тип коливань ТЕМ_00q. Початковий розподіл поля в даній відкритій електродинамічній системі записано з врахуванням скінченних розмірів дзеркал. Відомо, що речовим кутам ( - кут між віссю пучка і напрямом нормалі до фазового фронту відповідної плоскої хвилі в кутовому спектрі) відповідають "швидкі" хвилі, енергія яких запасається в резонаторі, а комплексним значенням - неоднорідні плоскі хвилі, що поширюються в поперечній площині і затухають у напрямі осі резонатора. Тому для ефективної роботи ВР необхідно, аби енергія поля резонатора переносилася поширюючими просторовими гармоніками при < 1, коли кутовий спектр визначається однорідними плоскими хвилями, що характерно для довгофокусних ВР. При подальшому фокусуванні пучка, що має місце в малоапертурних ВР, енергія спектру повинна ефективно перерозподілятися в область комплексних кутів >1, що відповідає збудженню неоднорідних плоских хвиль. При цьому не відбуватиметься зменшення ширини просторового розподілу поля, а почнеться інтенсивне зростання бічних пелюсток в плямі поля ВР. З метою перевірки теоретичних розрахунків виконано експериментальні дослідження малоапертурного ВР, описаного в попередньому підрозділі. Аналіз проведено для коливання ТЕМ₀₀₆. Навантажена добротність для даного коливання склала 320. Відносна похибка вимірювання не перевищує 4%. Згідно з виконаними розрахунками, для коливання ТЕМ₀₀₆ діаметр плями поля на плоскому дзеркалі має бути менше . Проведені експериментальні дослідження показують, що отримати в напівсферичному ВР пляму поля, діаметр якого був би менший , неможливо.

У підрозділі 4.4 за допомогою методу еквівалентних схем отримано вирази для ефективності збудження коливань у відкритих електродинамічних системах в режимах слабкого і сильного зв'язку з навантаженням. Показано, що в режимі слабкого зв'язку ВР повинен представлятися у вигляді послідовного коливального контура. В разі сильного зв'язку ВР можна навести у вигляді паралельного коливального контура. Таким чином, усувається неоднозначність у виборі еквівалентної схеми представлення параметрів ВР в режимах слабкого або сильного зв'язку. За допомогою запропонованого методу проаналізовано ефективність збудження нижчого коливання ТЕМ_00q в напівсферичному ВР різними елементами зв'язку. Проведені експериментальні дослідження показали, що апертурні елементи зв'язку забезпечують вищу ефективність збудження коливань в резонаторі у всьому діапазоні перебудови в порівнянні з зосередженими елементами зв'язку (щілина, отвір).

У п'ятому розділі проведено експериментальне дослідження і теоретичне моделювання напівсферичного ВР, що містить відрізок круглого надрозмірного хвилеводу, і на підставі проведеного аналізу запропоновано резонансні системи для вимірювання електрофізичних параметрів речовин з великими втратами.

У підрозділі 5.1 експериментально вивчено збудження хвилі ТЕ₀₁ в круглому хвилеводі з поршнем за допомогою коливання ТЕМ₀₁₁₀ (=0,538) відкритої електродинамічної системи. Проведено дослідження спектру і амплітудного розподілу полів коливань, що збуджуються в даній резонансній системі. Спочатку вимірювався спектр напівсферичного ВР, в якому поршень, що переміщається в круглому хвилеводі, був розташований урівень з плоским дзеркалом. Відстань між дзеркалами резонатора залишається незмінною. Наявність елементів зв'язку на сферичному дзеркалі порушує симетрію ВР, що приводить до зняття виродження. У всьому діапазоні перебудови частоти досліджуване коливання розпадається на два. Якщо в центрі плоского дзеркала розташовано відрізок круглого хвилеводу, то у обраному діапазоні перестроювання частоти генератора Г4-142 ВР має одночастотний відгук. При цьому навантажена добротність резонатора дорівнювала 3140. Методом пробного тіла проаналізовано розподіл поля коливання ТЕМ₀₁₁₀. Як виявилось, дане коливання має вигляд двох плям з нульовою інтенсивністю поля в центрі. За наявності відрізка круглого хвилеводу в центрі плоского дзеркала розподіл поля досліджуваного коливання є кільцем. Таким чином, у відкритій електродинамічній системі вперше вдалося збудити коливання "волове око". На краю круглого хвилеводу інтенсивність поля спадає до нуля, що характерно для хвилі ТЕ₀₁.

У підрозділі 5.2 розглянуто модель резонатора у вигляді тіла обертання, утвореного циліндричною, конічною і сферичною поверхнями. Таке представлення ВР стало можливим в результаті виконаних в попередньому підрозділі експериментальних досліджень. Проведений чисельний експеримент показує, що амплітудний розподіл електричної компоненти поля даного коливання має форму кільця, тобто коливання є аксіально-симетричним. Ці результати добре корелюють з експериментальними даними, отриманими в підрозділі 5.1. Розроблений на основі методу Бубнова - Галеркіна чисельний алгоритм для знаходження спектру власних коливань осесиметричних об'ємних резонаторів з достатньою для практичних цілей точністю може бути застосований для аналізу відкритих електродинамічних систем, в яких збуджуються аксіально-симетричні коливання. Такі коливання характеризуються наявністю каустичних поверхонь і тому мають малі дифракційні втрати. З цієї причини наявність конічної металевої поверхні для них не є принциповою. В той же час всі інші коливання, що збуджуються в такій резонансній системі, не локалізовані поблизу осі резонатора і за відсутності конічної металевої поверхні вони не можуть існувати в резонансному об'ємі через великі дифракційні втрати.

Важливе практичне значення має дисперсійна залежність резонансної частоти від довжини резонатора при різних діаметрах відрізків круглого хвилеводу. Дослідження проведено для двох діаметрів відрізків круглого хвилеводу: 16 мм і 18 мм. У резонаторі збуджується коливання ТЕ₀₁₁₆. Як виявилось, у всьому діапазоні перебудови залежності частоти від довжини резонатора носять лінійний характер для розглянутих діаметрів круглих хвилеводів. Відмінність розрахункових і виміряних значень частоти не перевищує 3%, що в абсолютних величинах складає 210 Мгц. Це говорить про хороший збіг розрахунку і експерименту.

У підрозділі 5.3 запропоновано конструкції ВР для вимірювання параметрів сильнопоглинаючих речовин. Добре відомо, що у круглому хвилеводі поряд з хвилею ТЕ₀₁ може збуджуватися хвиля ТМ₁₁, яка має таку ж фазову швидкість. Тому для практичних цілей бажано оцінити ефективність збудження цієї хвилі у круглому хвилеводі, виконаному в центрі плоского дзеркала резонансної системи. На підставі виконаних розрахунків показано, що при максимальній ефективності збудження хвилі ТЕ₀₁ величина для хвилі ТМ₁₁ не перевищує 0,086. Це говорить про те, що при правильному виборі діаметру круглого хвилеводу в ньому поширюватиметься лише одна хвиля - ТЕ₀₁.

Розглянута відкрита електродинамічна система перспективна для вимірювання електрофізичних характеристик речовин з великими втратами. Окрім розглянутої конструкції можлива і інша побудова резонансної системи для вказаних вище цілей. Трубка з радіопрозорого матеріалу у вигляді петлі поміщається в об'єм ВР, в центрі плоского дзеркала якого розташований відрізок круглого надрозмірного хвилеводу. У такому резонаторі існуватиме аксіально-симетричний тип коливань "волове око". І якщо внутрішній діаметр петлі не менше зовнішньої каустики збуджуваного коливання, то за допомогою такої резонансної комірки можна здійснювати безперервний контроль параметрів рідких діелектриків, наприклад, аналіз вмісту вологи в нафтопродуктах.

У шостому розділі проведено дослідження впливу мікросмужкових грат (МСГ), розташованих на плоскому дзеркалі напівсферичного ВР, на основні характеристики відкритої електродинамічної системи. При цьому важливе практичне значення мають питання узгодження МСГ з підвідним коаксіальним кабелем. Розглянуто ефективність збудження хвилі ТЕМ у відрізку коаксіального хвилеводу, виконаного в центрі плоского дзеркала ВР. Це питання актуальне при побудові твердотільних генераторів, в яких активні елементи розміщуються поза резонансним об'ємом.

У підрозділі 6.1 спектральним методом розраховано МСГ, що складається з чотирьох однакових прямокутних випромінювачів. При аналізі враховувався взаємний вплив елементів грат і наявність поверхневої хвилі. Моделювання проведено у сантиметровому діапазоні довжин хвиль. Розглянуто узгодження МСГ з підвідним коаксіальним кабелем, що має хвилевий опір 50 Ом. Як виявилось, загальна поведінка коефіцієнта стоячої хвилі напруги (КСХН) носить резонансний характер. Мінімальний КСХН=1,1 на частоті 9,812 ГГц, що не більше ніж на 2% відрізняється від розрахункової частоти 10 ГГц. Проведено порівняльний аналіз поведінки резонансних коефіцієнтів передачі і навантажених добротностей ВР, що збуджується в одному випадку МСГ, а в іншому - щілинним елементом зв'язку. Робоче коливання резонатора ТЕМ_00q. Вимірювання проведено за допомогою панорамного вимірювача КСХН і ослаблень Р2-61 за стандартною методикою.

У підрозділі 6.2 для вимірювання електрофізичних параметрів листкових матеріалів з великими втратами запропоновано використовувати напівсферичний ВР, на плоскому дзеркалі якого розташована МСГ, об'єднана з транзисторним підсилювачем потужності в єдиний модуль. Вхідний опір чотирьохелементної МСГ за рахунок варіювання її геометричних розмірів підібрано таким чином, що він близький до вихідного опору підсилювача потужності, розташованого перед МСГ і узгодженого з нею без додаткових ланцюгів, оскільки вона має планарне виконання. Завдяки цьому спростилася конструкція самого підсилювача, який разом з МСГ утворює єдиний підсилювальний модуль. Розраховані елементи такої активної МСГ, виконаної на підкладці з фторопласту, на частоті 10 ГГц мають розміри 9,2Ч7,65 мм. Проведена оцінка узгодження МСГ з підвідним коаксіальним кабелем, що має хвилевий опір 50 Ом, показала, що мінімальний КСХН дорівнює 1,12 на частоті 9,806 ГГц. Підсилювач на цій же частоті має КСХН = 1,63 і коефіцієнт посилення 8,7 дБ. Геометричні розміри ВР, на плоскому дзеркалі якого розташовано МСГ, наведено в попередньому підрозділі. Досліджено поведінку резонансного коефіцієнта передачі від частоти при збудженні резонатора пасивними і активними гратами. Вимірювання виконано для коливання ТЕМ₀₀₄. В разі активної МСГ вдалося отримати збільшення резонансного коефіцієнта передачі на 6,85 дБ на частоті 9,806 ГГц. Як приклад, розглянуто використання ВР, збуджуваного МСГ, для вимірювання відносної діелектричної проникності і тангенса кута втрат листкових матеріалів з малими і великими втратами. Як матеріал з малими втратами, використовувалося оргскло завтовшки 4 мм, а як матеріал з великими втратами - електротехнічний гетинакс завтовшки 3 мм. Порівняння набутих значень і з відомими даними показує їх задовільний збіг.

У підрозділі 6.3 досліджуються характеристики генератора з напівсферичним ВР, на плоскому дзеркалі якого розташовано чотирьохелементну МСГ. Під кожним випромінюючим елементом грат встановлено напівпровідниковий діод. Як активні джерела використовувалися діоди Ганна восьмиміліметрового діапазону довжин хвиль. Інтерес до такої конструкції пов'язано з можливістю збільшити щільність упакування джерел випромінювання. Було розраховано і виготовлено чотирьохелементну МСГ з прямокутних випромінювачів з розмірами 5,6Ч2,6 мм на частоту 36 ГГц (матеріал основи - дюроїд). ВР утворено плоским і сферичним дзеркалами діаметром 55 мм. Радіус кривизни сферичного дзеркала = 50 мм. Вивід НВЧ енергії з резонатора здійснювався за допомогою розташованого в центрі сферичного дзеркала щілинного елементу зв'язку перерізом 7,2Ч0,1мм. Напруга живлення до кожного діода, розташованого під випромінюючим елементом, підводилася за допомогою низькоомної коаксіальної лінії. У діапазоні від 30 до 37 ГГц досліджувалися спектральні характеристики такої відкритої електродинамічної системи, включеної за схемою на відбиття. За допомогою методу пробного тіла аналізувався амплітудний розподіл поля в резонансному об'ємі. Як виявилось, в напівсферичному ВР з МСГ збуджуються коливання ТЕМ₀₀₃ і ТЕМ₂₀₃. Причому вище коливання є більш високодобротним. Порівняння отриманих даних з результатами вимірювань порожнього ВР показує, що наявність МСГ призводить до збільшення втрат для всіх збуджуваних коливань. Причому для коливання ТЕМ₂₀₃ ці втрати зростають не так істотно.

Експериментальні дослідження даного генератора показали, що максимальна вихідна потужність при одночасному включенні чотирьох діодів склала 65 мВт ( = 0,262). Стійкий режим генерації спостерігався при зміні нормованої відстані між дзеркалами від 0,254 до 0,27 і перестроюванні по частоті 270 Мгц. В цьому випадку спостерігався ефект взаємної синхронізації активних елементів.

У підрозділі 6.4 з використанням виразу (1) розглядається збудження хвилі ТЕМ у відрізку коаксіальної лінії передачі за допомогою коливання ТЕМ_01q ВР. Розрахунки виконано в припущенні узгодженого збудження хвилеводної хвилі і нескінченних апертур дзеркал резонатора. Проведений аналіз показав, що якщо зовнішній 2 і внутрішній 2 діаметри провідників коаксіального хвилеводу обрано з умов = 0,399, = 4,443, то ефективність збудження хвилі ТЕМ за допомогою коливання ТЕМ_01q буде максимальною і її величина дорівнює 0,713. При збудженні у відрізку коаксіального хвилеводу хвилі ТЕМ і при її випромінюванні назад в об'єм резонатора за рахунок відбиття від поршня, коливання ТЕМ_01q перетвориться в аксіально-симетричне коливання, оскільки таку симетрію має хвиля ТЕМ. Тому в підрозділі розглянуто збудження хвилі ТЕМ за допомогою такого коливання. В результаті виконаних розрахунків показано, що при тих же значеннях і ефективність збудження основної хвилі в коаксіальному хвилеводі істотно зросла і її значення дорівнює 0,879.

У підрозділі 6.5 у восьмиміліметровому діапазоні довжин хвиль проведено експериментальне дослідження напівсферичного ВР з відрізком коаксіального хвилеводу в центрі плоского дзеркала. Вимірювання проведено за допомогою панорамного вимірювача КСХН і ослаблень Р2-68. Спочатку досліджувався резонатор, у якого плоске дзеркало глухе. Відстань між дзеркалами залишалася незмінною. Як виявилось, в такому ВР в діапазоні перебудови 29 - 38 ГГц разом з коливанням ТЕМ_01q збуджується коливання ТЕМ_00q. Спектр резонатора якісно змінюється за наявності в центрі плоского дзеркала відрізка коаксіального хвилеводу, що має вказані вище розміри. В цьому випадку у всьому діапазоні перебудови по частоті в ВР існує лише одне коливання ТЕМ₀₁₂₅, що має аксіальну симетрію. З врахуванням розглянутих позитивних чинників такої резонансної системи було запропоновано конструкцію твердотільного генератора з квазіоптичною резонансною системою. Активний елемент виноситься з об'єму резонатора і розміщується між центральним провідником коаксіального хвилеводу і поршнем.