Электромагнитные явления в низкоразмерных планарных периодических металлодиэлектрических системах миллиметрового-инфракрасного диапазонов волн

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

В настоящее время вакуумная СВЧ электроника в основном развивается по пути создания мощных источников электромагнитного излучения, которые востребованы в радиолокации, системах связи, ускорительной технике, высокотемпературной обработке материалов, спектроскопии и т.д. Принципы построения таких приборов основаны как на классических методах преобразования энергии электронов в СВЧ поля (клистроны, магнетроны, лампы обратной волны (ЛОВ), лампы бегущей волны (ЛБВ)), так и на радиационных эффектах, таких например, как черенковское, циклотронное и дифракционное излучения (черенковские ЛОВ, мазеры на циклотронном резонансе, лазеры на свободных электронах, оротроны и генераторы дифракционного излучения (ГДИ)). В течение последних десятилетий вакуумная СВЧ электроника характеризуется высокими темпами развития. Внедрение новых принципов построения электровакуумных приборов (ЭВП), непрерывное совершенствование технологии их изготовления позволило значительно увеличить надежность этих приборов. К таким ЭВП относятся: ЛБВ различных модификаций, клистроны, магнетроны, гироприборы, ГДИ, оротроны, лазеры на свободных электронах (ЛСЭ) и др. Вместе с тем, в радиоастрономических инструментах и системах зондирования атмосферы Земли в субмиллиметровом и инфракрасном диапазонах волн предпочтение отдается твердотельным гетеродинным источникам в силу их компактности, малой массы и мощности потребления, несмотря на небольшую величину выходной мощности, которая, например, на частоте 2 ТГц не превышает 1 мкВт. Низкий уровень выходной мощности таких источников в значительной степени усложняет задачу создания смесителей. В связи с этим, несмотря на достигнутые успехи в создании мощных электровакуумных источников колебаний терагерцового диапазона волн, актуальным остается вопрос реализации низковольтных гетеродинных источников излучения этого класса приборов, которые могли бы конкурировать с твердотельными генераторами. Кроме того, в этом направлении остается проблема создания элементной базы субмиллиметрового и инфракрасного диапазонов, которая требует применения принципиально новых физических и технологических решений, основанных, например, на использовании многосвязных квазиоптических систем (МКС), которые по своим свойствам значительно отличаются от традиционных волноведущих и резонаторных систем закрытого типа, используемых ранее для освоения длинноволновой области диапазона СВЧ.

Конкурентоспособными по отношению к традиционным устройствам вакуумной электроники СВЧ являются также лазеры на свободных электронах (ЛСЭ), которые позволяют получить сверхвысокие уровни мощности и сформировать фемтосекундные кластеры электромагнитного поля.

Актуальность темы. Многосвязные электродинамические системы нашли широкое применение при улучшении выходных параметров классических ЭВП миллиметрового диапазона волн, таких, например, как ЛБВ с замедляющей системой цепочек связанных резонаторов и ЛОВ с многорядными замедляющими системами. Однако для данных устройств остаются характерными проблемы при продвижении их в субмиллиметровый и терагерцовый диапазоны длин волн, которые связаны, прежде всего, с уменьшением размеров пространства взаимодействия и основных узлов приборов пропорционально длине волны. Преодоление этих трудностей стимулировало развитие новых принципов построения ЭВП, основанных на применении МКС, как в электронике, так и в технике СВЧ. Основным отличием МКС от используемых в традиционных устройствах СВЧ систем является присутствие, как минимум, двухактного преобразования поверхностных волн распределенных источников излучения в объемные волны на периодических неоднородностях. К таким приборам, например, относятся ГДИ и оротроны, принцип работы которых основан на многоактном преобразовании поверхностных волн пространственных дифракционных гармоник электронного потока (ЭП) вблизи дифракционной решетки (ДР) в объемные волны собственных колебаний открытого резонатора (ОР) или открытого волновода (ОВ).

На основании фундаментальных теоретических и экспериментальных исследований квазиоптических систем ГДИ миллиметрового и субмиллиметрового (МСМ) диапазонов волн, проведенных в ИРЭ НАН Украины под руководством академика Шестопалова В.П., получило развитие новое научное направление в области ЭВП - дифракционная электроника, перспективы развития которой, по аналогии с классическими приборами типа ЛБВ, ЛОВ [12], основаны на использовании МКС различных типов.

До настоящего времени в работах были исследованы электродинамические свойства связанных ОР с последовательным и параллельным включением резонаторов относительно источников излучения без учета особенностей электродинамических характеристик элементов связи. На базе таких систем предложены схемы реализации генераторов и умножителей частоты МСМ волн, а также показана возможность значительного увеличения полосы пропускания связанных ОР, относительно автономного резонатора с ДР, который используется в приборах типа ГДИ-оротрон.

Перспективными, в плане построения принципиально новых ЭВП и элементной базы устройств МСМ волн, включая инфракрасные волны, являются МКС различных модификаций с периодическими металлическими и металлодиэлектрическими структурами (МДС), которые частично изучены численно-аналитическими методами, в приближении заданного тока и с применением методов экспериментального моделирования. Установлено, что при включении в открытый резонатор МДС такая МКС может обладать качественно новыми свойствами, которые позволяют на ее основе предложить высокочастотные фильтры, стабилизаторы частоты, устройства вывода энергии из объема ОР и новые типы полупроводниковых генераторов. В работах проанализирована возможность создания усилителя на эффекте Смита-Парселла.

Многообразие предложенных ранее МКС, при недостаточном объеме их системных исследований тормозит развитие практической реализации новых модификаций схем ЭВП и элементной базы МСМ волн на их основе. Существующие к настоящему времени численные методы оптимизации трехмерных СВЧ структур позволяют эффективно проанализировать электродинамические характеристики только для отдельных элементов МКС, например, отражательных металлических и металлодиэлектрических структур. При этом решение вопросов оптимизации таких структур в полном объеме требует больших затрат машинного времени при неоднозначности полученных решений. Поэтому вопросы разработки общей методики экспериментального моделирования электромагнитных явлений в МКС и реализации ее для изучения электромагнитных явлений в сложных квазиоптических системах, с привлечением существующих численно-аналитических методов, являются актуальными.

Не менее актуальными в плане реализации источников излучения миллиметрового-инфракрасного диапазонов волн, является также исследования моделей усилителей и генераторов плазмо-пучковых лазеров на свободных электронах, физические процессы формирования электромагнитного излучения в которых во многом идентичны волновым процессам в МКС с периодическими неоднородностями. Поэтому практический интерес представляет анализ двухпотоковых кластерных ЛСЭ-кластеров как нового класса устройств, предназначенных для формирования фемтосекундных кластеров электромагнитного поля.

Цель и основные задачи исследования. Целью исследования является экспериментальное моделирование (с привлечением численных методов) физики электромагнитных явлений в многосвязных квазиоптических системах миллиметрового диапазона с периодическими неоднородностями, на основании которых могут быть выработаны практические рекомендации при реализации конкретных устройств электроники и техники СВЧ, а также анализ двухпотоковых кластерных ЛСЭ-клистронов с периодической накачкой внешним сигналом.

Одним из основных элементов перечисленных выше приборов является поток заряженных частиц, который двигаясь в заданных электромагнитных полях возбуждает либо поверхностные, либо объемные волны электромагнитного излучения.

1. Моделирование пространственных волн многосвязных металлических и металлодиэлектрических квазиоптических систем миллиметрового диапазона

В данном разделе представлены результаты разработки универсальной экспериментальной установки и общей методики моделирования электромагнитных процессов в многосвязных квазиоптических системах, содержащих периодические неоднородности различных модификаций (ленточные и отражательные ДР, МДС), на которых происходит трансформация поверхностных волн ДВ в объемные электромагнитные волны. Проведен выбор оптимальных режимов моделирования и основных параметров исследуемых электродинамических систем. Описана блок-схема экспериментальной установки, которая реализована в диапазоне длин волн мм. Впервые представлена общая методика моделирования электромагнитных явлений в резонансных и волноведущих многосвязных квазиоптических системах.

1.1 Общие принципы волнового моделирования

Многие свойства заряженных частиц можно обнаружить благодаря электромагнитному полю, которое образуется при их движении вдоль различного рода материальных объектов. По изучению электромагнитных волн различных диапазонов можно судить не только о свойствах движущейся частицы, но и о тех материальных объектах, которые являются иногда причиной механизмов излучения, например, тормозного, циклотронного, черенковского и дифракционного излучений. Наблюдение радиационных явлений с реальными частицами в естественных или лабораторных условиях сопряжено с трудностями, связанными с постановкой эксперимента и наличием высоковольтного источника частиц. Поэтому при исследовании радиационных эффектов возникает задача их чисто волнового моделирования без участия частицы в процессе формирования излучения. Показано, что такая постановка задачи возможна для эффектов черенковского и дифракционного излучений. В частности, энергия дифракционного излучения не зависит от массы движущейся частицы, а определяется ее скоростью и зарядом, параметрами периодической структуры. Данные свойства эффекта дифракционного излучения послужили основанием для построения его волновой модели, которая нами в дальнейшем используется для исследования МКС. Основные принципы построения и реализации такой модели заключаются в следующем.

1. Теоретическом обосновании идентификации плоской неоднородной волны собственного поля монохроматического (неограниченного) электронного потока с волной плоского диэлектрического волновода.

Основной вывод данного обоснования заключается в том, что часть мощности, распространяющейся вдоль волновода, сосредоточена в наружной по отношению к нему области. Именно это локализированное вблизи волновода медленных волн поверхностное поле обуславливает дифракцию поверхностных волн на элементах периодической структуры, позволяя при помощи только волновых полей моделировать эффекты дифракционного и черенковского (для МДС) излучений. В результате энергия медленных волн преобразуется в энергию быстрых пространственных гармоник, излучаемую в окружающее пространство. Данный эффект достигается при выборе оптимальных значений расстояния от ДВ до плоскости решетки и ее параметров.

2. Определении основных требований к экспериментальной установке. Из физических свойств дифракционного излучения (ДИ) и преобразования поверхностных волн в объемные следует, что для осуществления метода экспериментального исследования дифракции поверхностных волн на периодических структурах измерительная установка должна обеспечить: трансформацию медленных волн в объемные, измерение углов излучения пространственных гармоник в секторе (0 - 180)° с абсолютной погрешностью, не превышающей 1°; регистрацию длины волны и величины мощности, распространяющейся в волноводе поверхностных волн; определение величины коэффициента замедления волновода поверхностных волн; измерение расстояния между структурой и волноводом поверхностных волн.

Для получения диаграмм направленности дифракционного поля обычно используется метод подвижной антенны. Сигнал с рупора после детектирования может обрабатываться различными методами измерительной техники. Полученные таким путем диаграммы направленности позволяют найти количество излучаемых пространственных гармоник и углы их излучения.

Экспериментальные исследования дифракции поверхностных волн на периодических структурах целесообразно проводить в миллиметровом диапазоне длин волн, что обусловлено наличием стандартной измерительной аппаратуры и технологическими возможностями создания соответствующих периодических структур, а также возможностью реализации ДВ заданных сечений и диэлектрической проницаемостью . Решетки, используемые в экспериментальных исследованиях при изучении характеристик дифракционных полей, обычно ограничены вдоль осей и (квадратные апертуры с раскрывом ). Ограниченный вдоль оси размер апертуры решетки обуславливает конечную ширину диаграммы направленности возникающего ДИ.

3. Выбор оптимальной связи полей ДР с поверхностной волной ДВ.

Условие излучения связывает угол излучения с характеристиками источника электромагнитного поля: величиной относительной скорости , длиной волны и периодом решетки. Согласно [19], величина прицельного параметра (расстояние между источником поверхностных волн и решеткой) не влияет на величину угла излучения. При экспериментальном исследовании дифракции поверхностных волн диэлектрического волновода на периодических структурах появляется зависимость угла излучения от величины прицельного параметра, что обусловлено существованием связи волновода медленных волн и решетки. Коэффициент связи такой электродинамической системы зависит от прицельного параметра и характеристик волновода поверхностных волн: приведенного размера волновода, замедления, типа распространяющейся волны. Эти же характеристики определяют эффективное сечение волновода поверхностных волн - сечение, в котором переносится практически вся энергия волновода. Таким образом, изменение величины прицельного параметра приводит к соответствующему изменению коэффициента связи системы волновод - решетка. Если решетка находится за пределами эффективного сечения волновода или на его границе, имеет место случай слабой связи. Случай сильной связи реализуется, если решетка расположена в пределах эффективного сечения. При сильной связи ДР оказывает возмущающее действие на распределение поля, а следовательно, и на постоянную распространения волновода. Замедление волновода также изменится (по сравнению со случаем весьма слабой связи). Кроме этого, при сильной связи в волноводе происходит интерференция волны, распространяющейся вдоль волновода, и волны, рассеянной ДР. Такая интерференция может привести к возникновению нескольких типов волн в волноводе и, как следствие этого, к появлению спектра пространственных гармоник дифракционного излучения, что продемонстрировано на рис. 1.1, заимствованном из работы [19].

После получения зависимости угла излучения от прицельного параметра и определения значения этого параметра, соответствующего минимальной погрешности измерений, проводится серия экспериментов в целях построения зависимости угла излучения различных периодических структур от относительной фазовой скорости диэлектрического волновода на нескольких частотах.

По этим диаграммам направленности строятся зависимости углов излучения от характеристик волноводов поверхностных волн на нескольких частотах.

Рисунок 1.1 - Типичные диаграммы направленности излучения диэлектрического волновода при трансформации его поверхностной волны в объемную на отражательной ДР: а - оптимальная связь полей ДР - ДВ; б - сильная связь полей ДР _ ДВ

4. Определении уровня излучаемой мощности. Излучаемая мощность является важнейшей характеристикой при трансформации поверхностных волн в объемные. В частности, повышение коэффициента полезного действия электровакуумных приборов, использующих дифракционное излучение, связано с обеспечением такого режима излучения, при котором отбирается максимальная мощность от источника электромагнитного поля. Величина и зависимость излучаемой мощности от параметров электромагнитного поля, типа волновода поверхностных волн, и параметров ДР в значительной мере предопределяют возможность разработки ряда радиотехнических устройств (направленный ответвитель, делитель мощности, антенна МСМ диапазонов), в основу которых положено явление дифракции поверхностных волн на периодических структурах конечных размеров.

Мощность ДИ сосредоточена в лепестках диаграммы направленности. Для ее измерения можно использовать два метода. Первый, часто применяемый в антенных измерениях, заключается в измерении диаграмм направленности по меньшей мере двух взаимно перпендикулярных плоскостей с последующим интегрированием полученных распределений в пределах всего исследуемого пространства. Вследствие присущих этому методу громоздкости и трудоемкости получения информации можно применять другой метод, основанный на измерении волноводных характеристик ДВ: коэффициентов стоячей волны (КСВ) и коэффициентов прохождения () волны в согласованную нагрузку или измеритель мощности. Если ДР отсутствует, по ДВ распространяется мощность . При внесении решетки в поле поверхностной волны часть мощности (обозначим ее ) вследствие преобразования медленной волны в объемные волны излучается в свободное пространство. В согласованную нагрузку (измеритель мощности) попадает мощность, равная . После простых вычислений мощность пересчитывается в искомую величину . При этом необходимо: определить часть общей мощности ДВ, которая представляет собой мощность дифракционного излучения, построить экспериментально полученные кривые зависимости излучаемой мощности от прицельного параметра, провести сравнительную характеристику мощности излучения различных ДР конечных размеров.

Учитывая экспоненциальный закон убывания излучаемой мощности от прицельного параметра, необходимо тщательно устанавливать и перемещать периодические структуры относительно неподвижно расположенного ДВ. Для этого решетки располагаются на предметном столике, оборудованном трехкоординатными юстирующими устройствами. Эти меры позволяют соблюдать одинаковые величины прицельного параметра вдоль ДР, что особенно важно при проведении сравнительного анализа характеристик излучения различных периодических структур.

1.2 Выбор режимов моделирования

Описанные выше основополагающие принципы волнового моделирования базировались на примере использования отражательной металлической ДР, обладающей ограниченными функциональными возможностями по реализации свойств дифракционного излучения, которое может также возникать на периодических металлодиэлектрических структурах. Поскольку рассмотренные в разделе 1 разнообразные модификации МКС содержат элементы связи как в виде сложных (двухрядных) ДР, так и в виде МДС, то при их исследовании основополагающим является вопрос выбора режимов моделирования волновых процессов, соответствующих заданному типу квазиоптической системы: открытому резонатору или открытому волноводу. В связи с этим, рассмотрим общий случай возбуждения ДИ на периодической МДС (предполагая, что металлические ДР при , в некотором приближении являются частным вариантом выполнения излучающей системы).

Исходя из общего решения задач волнового моделирования ДИ, следует, что вдоль планарного диэлектрического волновода, расположенного параллельно ленточной дифракционной решетке, нанесенной на поверхность диэлектрической среды в направлении оси распространяется двухмерная поперечно-магнитная волна, фазовая скорость которой определяется диэлектрической проницаемостью материала волновода и его поперечными размерами. Поэтому в дальнейшем введем эффективную диэлектрическую проницаемость волновода , определяемую как . Тогда относительная скорость волны в волноводе - . Из полученных соотношений можно проанализировать возможные каналы вытекающих волн диэлектрического волновода, эквивалентные случаям при решении задачи в приближении заданного тока.

Моделью черенковского излучения (ЧИ) является канал трансформации волн диэлектрического волновода в объемные, обусловленный нарушением полного внутреннего отражения в диэлектрическом волноводе. Такой канал реализуется, если диэлектрическая проницаемость волновода не превышает среды, а фазовая скорость распространения волны в диэлектрическом волноводе удовлетворяет условию возбуждения черенковского излучения. Моделью дифракционного излучения ЭП являются дифракционные каналы вытекающих волн из планарного волновода в диэлектрическую среду или одновременно в вакуум и диэлектрик. Исходя из идентификации поверхностных волн ЭП и ДВ, а соответственно и относительных скоростей _ и , общие условия излучения электромагнитных волн в вакуум (1.1) и диэлектрик (1.2) имеют следующий вид:

, (1.1)

, (1.2)

где , - волновые числа, - период решетки.

Исходя из (1.1), (1.2), углы излучения электромагнитных волн в вакуум и диэлектрик для заданных параметров и определяются соотношениями:

, (1.3)

, (1.4)

Из анализа соотношений, (1.1), (1.2) следует, что для параметров и в свободном пространстве возбуждаются только отрицательные пространственные гармоники с , а в диэлектрической среде - гармоники с .

Описанные выше режимы излучений можно наглядно проанализировать путем построения диаграмм Бриллюэна по методике, изложенной в [15] для заданных значений диэлектрической проницаемости среды. Учитывая наличие в настоящее время достаточно широкого спектра материалов, обладающих малыми потерями на СВЧ, которые могут использоваться как при экспериментальном моделировании (малые значения _ фторопласт, полистирол, поликор), так и при рассмотрении вариантов создания низковольтных источников колебаний на основе МДС (высокие значения , например, керамические материалы оксидов бария и титана), в качестве примера, на рис. 1.2 в координатных осях и приведены основные фрагменты диаграмм для наиболее распространенных материалов со значениями .

Наиболее простой вид диаграмма Бриллюэна имеет при возбуждении волн на металлических ДР, расположенных в вакууме (рис. 1.2 а, ). Она характеризует режимы возбуждения объемных (область I - режим ДИ) и поверхностных волн (область II - режимы ЛОВ, ЛБВ).

Так, например, варьируя величиной , которая определяется параметрами периодической структуры, мы можем изменять условия распространения поверхностных гармоник и, следовательно, частоту дифракционного излучения. Перемещение в сторону больших и соответствует увеличению частоты излучения.

При значениях и , которые определяют близость фазовых скоростей волн решетки со скоростью электронного потока, в точке дифракционное излучение возбуждается под углом , характерным для ГДИ-оротрона.

При расположении ленточной ДР на поверхности диэлектрического слоя электродинамические свойства системы значительно изменяются за счет появления новых каналов трансформации поверхностных волн ДВ - ЭП, что продемонстрировано на рис. 1.2 б-е. В связи с этим, дискретные области на диаграмме Бриллюэна обозначим цифрами (), которые определяют наиболее характерные случаи возбуждения излучения электронным потоком (поверхностной волной диэлектрического волновода) электромагнитных волн. Нижние индексы указывают номера пространственных гармоник, излучаемых в диэлектрик, а верхние индексы - в вакуум.



Рисунок 1.2 - Диаграммы Бриллюэна при возбуждении пространственных волн на металлических решетках (а) и на МДС (б) - (е) при различных значениях

Так, например, область соответствует возбуждению основной черенковской гармоники, область 2 - гармоники поверхностных волн, - дифракционное излучение только в диэлектрическую среду, области типа означают, что при всех соответствующих параметрах в свободное пространство излучается только минус первая гармоника, а в диэлектрике возбуждаются три гармоники с номерами .

Поскольку при заданных параметрах и в зависимости от диэлектрической проницаемости можно реализовать разные режимы возбуждения ДЧИ и провести их моделирование, то последовательно проанализируем диаграммы Бриллюэна с увеличением значений . Так, например, при значениях (рис. 1.2 б-г) видно, что в интервале значений возможно возбуждение только отрицательных дифракционных гармоник в вакуум и диэлектрик. При этом реализация ЧИ возможна только в области релятивистских скоростей электронов () или для режима моделирования возбуждения объемных волн, поскольку относительная скорость волны стандартных диэлектрических волноводов (полистирол, фторопласт) исследуемого диапазона лежит в интервале .

C увеличением количество зон Бриллюэна возрастает, а области интервалов по параметрам и , в которых они возбуждаются, сужаются. В частности, для значений (диэлектрики группы рутил) в области нерелятивистских ЭП () появляется возможность реализации как режимов ЧИ, так и режимов ДЧИ, например, зоны (рис. 1.2 д,е). При этом возникает излучение на положительных дифракционных гармониках, которое, как и ЧИ, направлено всегда под острым углом, например, зоны . Но реализация таких зон для низковольтных ЭП невозможна, поскольку они лежат выше линии . С точки зрения создания низковольтных источников излучения, практический интерес представляет зона , в которой дифракционное излучение, подобно черенковскому, возникает только в диэлектрике структуры, но при значительно меньших скоростях электронов. Учитывая специфику условий возбуждения объемной волны такого режима, условно назовем его аномальным дифракционным излучением (АДИ). Для реализации низковольтных приборов типа ГДИ (оротрон) практический интерес представляет режим излучения в зоне (рис. 1.2 д-е). При этом параметры решетки выбираются таким образом, чтобы излучение было направлено по нормали, что способствует эффективному возбуждению ОР.

1.3 Функциональная схема экспериментальной установки

Описаны схемы установок для исследования преобразования поверхностных волн ДВ в объемные на МДС полубесконечной толщины и на металлических периодических структурах, позволяющие решить только частные вопросы волнового моделирования без учета специфики исследуемых в работе МКС: возможности присутствия пространственных волн, как в области связи, так и за ее пределами в объемах ОР и ОВ, влияния толщины диэлектрического слоя на характеристики излучения в МДС, необходимости автоматизированного контроля основных параметров волноводного тракта и учета потерь на излучение в окружающее пространство.

Из сформулированных в подразделе 1.1 общих принципов построения установок волнового моделирования следует, что одним из их основных узлов является преобразователь поверхностных волн ДВ (ЭП) в объемные электромагнитные волны, который может быть выполнен для МКС в различных модификациях: ленточных и отражательных ДР, периодических МДС и различных их комбинациях (двухрядных ДР, ДР - МДС и т.д.). Ключевым элементом в этом плане является формирующий поверхностную (возбуждающую) волну диэлектрический волновод, который запитывается от источника СВЧ колебаний и является основным волноводным элементом в исследуемых схемах МКС, через который контролируются КСВ и электродинамической системы в целом. Кроме того, в исследуемых объектах значительную роль при их возбуждении играют излучаемые поля в дальней и ближней зонах элементов связи, что определяет важность знания пространственных характеристик при описании физики процессов взаимодействия объемных волн в резонансных и волноводных МКС.

Исходя из вышеизложенного, на рис. 1.3 представлена универсальная функциональная схема по измерению электродинамических характеристик МКС, которая путем незначительных изменений в конструкции может быть модифицирована применительно к конкретным исследуемым объектам.

Как указывалось выше, основным функциональным узлом установки является система связи и возбуждения пространственных волн - I, которая входит в исследуемый объект - II и на рис. 1.3 условно показана в виде ДВ - 1 и периодических неоднородностей - 2, выполненных в различных модификациях. Диэлектрический волновод - 1 через согласующие переходы - 3 подключен к блоку измерения волноводных характеристик - III и к блоку контроля-согласования выходной мощности - IV.

Периферийными устройствами схемы измерений рис. 1.3 являются системы регистрации полей в дальней и ближней зонах излучений - V, VI, сигналы от которых регистрируются на графопостроителе (ГП), а также общая механическая система угловой и 3-х координатной юстировки элементов исследуемого объекта - VII.



Рисунок 1.3

Система связи и возбуждения пространственных волн (I) может быть выполнена в различных модификациях. Излучаемые волны являются источником возбуждения открытых квазиоптических структур типа ОР и ОВ, которые в свою очередь оказывают влияние на источник излучения за счет возвращения объемных волн в область связи от их отражающих апертур, что будет проявляться в изменении интегральных волноводных характеристик ДВ.

Поэтому при реализации схемы измерений рис. 1.3 одними из основных являются блоки III, IV, которые позволяют контролировать КСВ и МКС.

Блок измерения волноводных характеристик III, представленный на рис. 1.3, построен на основе стандартного панорамного измерителя КСВН и ослаблений, который состоит из блока генератора качающей частоты (ГКЧ) связанного с индикатором КСВН и ослабления через систему автоматического регулятора мощности (АРМ), направленных ответвителей 4, 5 с детекторными секциями, подключенными к соответствующим разъемам индикатора КСВН. АРМ используется для обеспечения постоянного уровня мощности на входе в исследуемый объект. В зависимости от способа включения ответвителей в измерительную линию, определялись либо КСВ (схема включения ответвителей на рис. 1.3), либо коэффициенты прохождения.

Обработка полученных данных осуществлялась при помощи разработанного блока АЦП, представляющего собой аналогово-цифровой преобразователь с интерфейсом USB, при помощи которого на персональный компьютер (ПК) передавались данные измерений для дальнейшей их обработки. Особенностью получения и обработки данных являлось то, что они поступали на ПК синхронно и через равные промежутки времени ( с), что позволяло фиксировать результаты измерений волноводных характеристик с высокой точностью.

Блок контроля и согласования выходной мощности IV состоял из направленного ответвителя 6, в прямое плечо которого включался болометрический или термистрорный измеритель мощности 7, а в основной тракт - согласованная нагрузка 8, обеспечивающая малые значения КСВ в передающем тракте установки. При измерении значений ответвитель 5 включался в основной тракт перед ответвителем 6, что позволяло проводить автоматический контроль отношений падающей и прошедшей в нагрузку 8 мощностей.

Система регистрации полей в дальней зоне V состояла из подвижной рупорной антенны 9 с детекторной секцией, ось вращения которой в -плоскости проходит через излучающую апертуру и совмещена с вертикальной осью исследуемой излучающей структуры - , а ось вращения в -плоскости совпадает с продольной осью ДВ 1 - . Это обеспечивает регистрацию углов излучения в интервале с точностью . Монтаж подвижной части системы регистрации полей выполнен на специальном прецизионном передвижном устройстве, позволяющем устанавливать рупорную антенну в дальней зоне исследуемых полей, которая определяется известным соотношением , где - максимальный размер апертуры антенны.

В ходе измерения диаграммы направленности (ДН) излучения, сигнал, принимаемый рупором, после детектирования, поступал на вход «Y» двухкоординатного ГП, вход «X» которого подключен к датчику угла поворота приемного рупора. Таким образом, при перемещении подвижной антенны на графопостроителе фиксируется ДН излучения, которая после преобразования в цифровой вид используется для компьютерной обработки полученных данных.

Экспериментальное исследование полей в ближней зоне необходимо по той причине, что процесс преобразования поверхностных волн в объемные происходит в области системы ДВ _ ДР. Блок измерения VI полей в ближней зоне () содержит малоразмерный зонд 10 (рис. 1.3), выполненный в виде диэлектрического клина (), сопряженного со стандартным металлическим волноводом через согласующий переход. Система индикации поверхностных полей устанавливалась на каретке перемещения, обеспечивающей точность отсчета по координатам порядка мм. Для проведения измерений необходимо выставить расстояние от зонда до исследуемого объекта и включить систему перемещения зонда вдоль оси . Сигнал с зонда после детектирования поступал на вход ГП, после чего проводилась компьютерная обработка полученных данных. Аналогичным образом амплитудные распределения полей проводились и по оси . Характерные размеры зонда составляли величину порядка , что обеспечивало минимальные искажения полей при измерениях.

Система крепления и юстировки элементов исследуемого объекта VII представляла собой общую станину, на которой размещены и закреплены (при необходимости могут перемещаться) стойки крепления и фиксации волноводных трактов (в зависимости от поставленных задач возможно размещение одного или двух трактов), а также юстировочные устройства, на которые крепятся исследуемые объекты (решетки, зеркала и т.д.). Юстировочные устройства были разработаны и выполнены в ИРЭ НАНУ. Они представляют собой систему взаимно перпендикулярных платформ, которые позволяют ориентировать и перемещать решетки и зеркала ОР по осям с помощью микрометрических винтов, обеспечивающих точность измерений по координатам мм и возможность угловой корректировки .

Описанная функциональная схема была реализована в двух поддиапазонах частот ( ГГц и ГГц), выбор которых предопределило наличие стандартной измерительной аппаратуры и элементной базы: панорамных измерителей КСВН и ослаблений типа Р2-69, Р2-67, а также волноводной техники 4-х и 8-ми миллиметрового диапазонов длин волн.

Поскольку основные процессы формирования электромагнитных полей в резонансных системах происходят вдоль оси (стоячая волна в ОР), а в волноведущих - вдоль оси (квазибегущая волна в ОВ), то исследования резонансных МКС проводились в диапазоне длин волн 4 мм, а волноведущие МКС, в основном, исследовались для систем 8-ми миллиметрового диапазона, что позволяло обеспечить их длину при меньшей критичности к юстировке и технологии изготовления. В частности, на рис. 1.4 показан общий вид исследуемого объекта (связанных ОР) с волноведущими элементами 4-х миллиметрового диапазона, а на рис. 1.5 - открытый волновод 8-ми миллиметрового диапазона с дифракционно-связанными источниками излучения. Общая картина компоновки измерительной аппаратуры 4-х миллиметрового диапазона волн продемонстрирована на рис. 1.6.

1.4 Общая методика моделирования

Исходя из функциональных возможностей представленной на рис. 1.3 схемы установки, была разработана общая методика моделирования электромагнитных полей в МКС, которая заключается в следующем:

1. Проведении тестирования и калибровки основных измерительных элементов тракта СВЧ.

Кроме показанных на рис. 1.3 направленных ответвителей, измерительных детекторов (типа ГД-09, Д 407) измерителей мощности (типа М5 - 50, М5 - 45) и согласованной нагрузки установка по мере необходимости может доукомплектовываться аттенюаторами, согласующими трансформаторами, фазовращателями и другими элементами, которые перед включением в схему проходят проверку на соответствие паспортным данным, а измерительные детекторы калибруются в заданном диапазоне частот для определения их амплитудно-частотной характеристики. Тестирование элементов проводится по стандартным методикам измерений на СВЧ.



Рисунок 1.4 - Общий вид объекта исследования (открытого резонатора) с волноводными элементами 4-х миллиметрового диапазона длин волн

Рисунок 1.5 - Общий вид объекта исследований (открытого волновода) 8-ми миллиметрового диапазона длин волн



Рисунок 1.6

2. Калибровки, в заданном диапазоне частот, используемых в эксперименте диэлектрических волноводов.

Калибровка ДВ заключается в определении относительной скорости поверхностной волны от частоты () серии волноводов различных сечений, либо одного сечения, изготовленных из различных материалов.

Для этих целей используется калибровочная (стандартная) ДР из прямоугольных брусьев, параметры которой рассчитываются, исходя из условия излучения на центральной частоте под углом по формуле:

 (1.5)

Калибровка ДВ включает в себя несколько этапов:

_ согласование ДВ с волноводным трактом, при этом отражательная ДР 2 выводится из зоны взаимодействия с поверхностной волной () и путем оптимизации параметров согласующих переходов 3 достигаются значения КСВ=1,1 - 1,2 для заданного диапазона частот;

_ получение однолепестковой диаграммы направленности (ДН) под углом путем приближения ДР к поверхности ДВ на расстояние ;

_ определение углов излучения ДН в зависимости от частоты;

_ расчет значений от частоты по формуле (1.5);

_ построение калибровочных характеристик ДВ.

В качестве примера в табл. 1.1 приведены основные параметры калибруемых ДВ, а на рис. 1.7 их характеристики.

Из сравнения калибровочных характеристик рис. 1.7 следует, что наименьшую частотную зависимость имеют ДВ из фторопласта (№1, №2) и полистирола (№5). Данный факт необходимо учитывать при постановке серии экспериментов по моделированию полей в МКС.

3. Определении оптимального значения прицельного параметра для заданного типа ДВ.

Оптимальное значение определяется по минимальным искажениям в лепестках ДН (см. рис. 1.2) при максимальных значениях их амплитуд на центральной частоте исследуемого диапазона.

4. Определении параметров заданного типа периодических неоднородностей области связи и ДВ.

Области значений оптимальных параметров периодических структур и ДВ определяются для заданных режимов излучения пространственных волн по диаграммам Бриллюэна рис. 1.2, а углы излучений рассчитываются по формулам (1.3), (1.4).

5. Измерении пространственных характеристик области связи (в дальней и ближней зонах) с одновременным, автоматическим контролем их волноводных характеристик.

При проведении данного цикла измерений для конкретной конфигурации системы связи используется установка рис. 1.3.

6. Измерении электродинамических характеристик МКС заданных модификаций (ОР, ОВ) с последующей компьютерной обработкой и анализом полученных результатов.

Описанная выше методика является общей как для резонансных, так и для волноведущих систем. Однако в зависимости от специфики исследуемых МКС, она может уточняться и дополняться периферийными измерениями, например, при определении спектров и добротности ОР _ регистрацией полей через элементы связи в зеркалах.

Таблица 1.1 - Параметры используемых в эксперименте диэлектрических волноводов

Номер волновода	Поперечное сечение, мм	Материал
№1	3,4Ч1,9	фторопласт
№2	5,2Ч2,6	фторопласт
№3	5,8Ч3,1	фторопласт
№4	5,2Ч2,6	винипласт
№5	7,2Ч3,4	полистирол
№6	7,2Ч3,4	винипласт



Рисунок 1.7 - Калибровочные характеристики используемых в эксперименте ДВ

1.5 Особенности периодических металлодиэлектрических систем при моделировании электромагнитных процессов

Для длинноволнового приближения получены и проанализированы аналитические выражения плотности энергии основных пространственных гармоник ДИ (), возбуждаемых монохроматическим ЭП, движущимся вдоль МДС типа полубесконечный диэлектрический слой - ленточная дифракционная решетка. Однако, приближенность данных результатов не позволяет провести количественный анализ влияния высших гармоник излучения на основные, что затрудняет практическое использование таких структур в электронике КВЧ. Аналогичная задача решена в строгой математической постановке.

Рассматривается планарная электродинамическая структура (рис. 1.8), которая образована поверхностью ленточной периодической решетки (период - , ширина лент - ), нанесенной на диэлектрический слой, вблизи МДС движется монохроматический электронный поток с плотностью заряда . Здесь обозначено: - поверхностная плотность заряда; - дельта-функция; - толщина диэлектрика с проницаемостью .

Лучи 1 соответствуют дифракционному излучению, уходящему в свободное пространство, лучи 2 соответствуют режимам черенковского излучения и аномального дифракционного излучения, которые сосредоточены в слое диэлектрика и за счет полного внутреннего отражения от боковых поверхностей могут выходить в свободное пространство через торцы МДС.

Рисунок 1.8 - Схематическое изображение режимов возбуждения ДЧИ на периодической МДС

Электромагнитное поле в областях I (), II (), III () представляется в виде:

 (1.6)

где - собственное поле ЭП в свободном пространстве; - Фурье-компоненты дифракционного поля, , , , ; , , - номер пространственной гармоники.

В зависимости от параметров электромагнитные поля (1.6) состоят из суммы пространственных излучаемых и поверхностных гармоник. Неизвестные Фурье-компоненты дифракционного излучения, представляющие собой амплитуды пространственных гармоник полей, определяются из решения электродинамической задачи, удовлетворяющей точным граничным условиям на поверхности диэлектрика и граничным условиям Леонтовича на металлической поверхности. Полученная система функциональных уравнений известным методом задачи Римана-Гильберта сводится к решению системы линейных алгебраических уравнений, обладающих высокой сходимостью. В дальнейшем методом редукции получают систему для конечного числа слагаемых. Из этой системы уравнений с высокой точностью, численными методами, определяются неизвестные коэффициенты электромагнитного поля и другие характеристики излучения при полубесконечной толщине диэлектрического слоя .

Для отдельной пространственной гармоники плотность энергии излучения в свободное пространство () и диэлектрическую среду () имеет следующий вид:

, , (1.7)

Где

,

,, ,

, , .

Параметр определяется в результате численного решения укороченной системы линейных алгебраических уравнений.

, (1.8)

где а остальные коэффициенты уравнения (1.8) имеют следующий вид:

; ; ;

; ;

; ;

; .

Здесь полиномы Лежандра.

Из проведенного в разделе 2 анализа диаграмм Бриллюэна следует, что заданные режимы ДЧИ можно реализовать путем изменения параметров и , при этом условия и углы излучения определяются соотношениями (1.2) - (1.4), а их энергетические характеристики формулами (1.7) и (1.8). В частности, из рис. 1.2 б () следует, что при экспериментальном моделировании наиболее легко реализуемыми с точки зрения технологии изготовления ДР и достоверности ожидаемых результатов являются области . Данные области являются типичными для основных режимов излучения, которые описаны в разделе 2. Важно отметить то, что указанные выше режимы излучения реализуются при экспериментальном моделировании для одного интервала значений путем изменения параметра , т.е. периода ДР.

Модель полубесконечной диэлектрической среды с ленточной ДР была реализована на фторопластовой () призме 1 треугольного сечения мм, толщиной 40 мм (рис. 1.9). На боковой стороне призмы мм располагалась ленточная ДР 2 с периодом и коэффициентом заполнения . Призма возбуждалась планарным ДВ 3, включенным в схему измерений 1.3. Измерения интенсивностей ДН излучения проводились по методике, изложенной в разделе 2.

Параметры электродинамических систем исследуемой МДС и интервалы значений , для которых реализуются соответствующие области диаграммы Бриллюэна, приведены в табл. 1.2. Из таблицы видно, что режимы , и могут быть получены в одном интервале значений фазовой скорости волновода: .

Рисунок 1.9 - Экспериментальная модель полубесконечной диэлектрической среды с ленточной ДР: 1 _ диэлектрическая призма; 2 _ ленточная ДР; 3 - ДВ

Расчет значений углов ДЧИ в исследуемых областях методом лучевой оптики, с учетом углов преломления на соответствующих гранях треугольной призмы показал, что излучение в диэлектрик находится в интервале , что позволяет проводить регистрацию интенсивности гармоник на установленном пределе измерений. Для индикации гармоники с , излучаемой в вакуум, требуется установка дополнительной рупорной антенны, которая с учетом незначительного изменения от может быть неподвижной.

Таблица 1.2 - Параметры электродинамических систем исследуемых МДС при

	+0,5	+0,3	-0,5	-0,85
	(мм)	2,0	2,0	2,0	2,0
зона	(мм)	0,7	0,8	1,3	1,65
		0,9-0,78
	(мм)	2,7	2,7	2,7	2,7
зона	(мм)	0,9	1,09	1,8	2,2
		0,9-0,78
	(мм)	4,4	4,4	4,4	4,4
зона	(мм)	1,47	1,77	2,93	3,62
		0,9-0,78

Как указывалось выше, одной из основных характеристик ДЧИ являются диаграммы направленности излучения, которые позволяют качественно проанализировать физические процессы, происходящие в исследуемой МДС. В частности, на рис. 1.10 представлены, в относительных единицах по мощности (, где - амплитуда гармоники с индексом , - амплитуда основной гармоники), диаграммы направленности излучений, наблюдаемых из диэлектрической призмы под углами и (рис. 1.9) при фиксированных значениях и . В области наблюдается однолепестковая диаграмма направленности черенковского излучения, имеющая максимальную интенсивность (сплошная линия).

За счет появления гармоник с , излучаемых в диэлектрик и вакуум (данная гармоника на порядок ниже и на рисунке не приведена), диаграмма излучения становится многолепестковой, а интенсивность черенковского излучения уменьшается, что обусловлено перераспределением мощности, поступающей в ДВ, между гармониками излучения.

Рисунок 1.10 - Диаграммы направленности излучений из диэлектрической призмы треугольного сечения (рис. 1.9) для и : ЧИ - сплошная линия; ДЧИ - пунктир

Наиболее наглядно степень влияния высших дифракционных гармоник на основную можно определить при исследовании зависимостей мощности излучения (1.7) от фазовой скорости волны для различных коэффициентов заполнения ДР. В частности, на рис. 1.11 представлены зависимости относительных значений мощности излучения от при различных значениях (здесь и в дальнейшем такие зависимости построены в логарифмическом масштабе , позволяющем оценить в децибелах уровень мощности излучаемых гармоник (), относительно максимального значения основной гармоники ()).

Из графиков видно, что для области изменение коэффициента заполнения в пределах уменьшает мощность черенковского излучения примерно на 4 дБ. При появлении гармоники с в области широких лент решетки () уровни гармоник соизмеримы (рис. 1.11 б), а в области узких лент решетки () нулевая гармоника примерно на 20 дБ превосходит гармонику с . Появление гармоники, излучаемой в вакуум, незначительно изменяет перераспределение мощности в исследуемой системе в связи с ее малой интенсивностью (рис. 1.11 в). Изменение мощности гармоники, излучаемой в вакуум (), от параметра показано на рис. 1.11 г. Поскольку в данном случае контроль мощности велся дополнительным рупором, то нормировка по осуществлялась относительно максимального уровня . Из графиков видно, что максимальную интенсивность гармоника, излучаемая в вакуум, имеет для отрицательных значений . Нелинейность приведенных характеристик обусловлена переотражениями от приемного рупора при изменении угла излучения от параметра . Модель конечной диэлектрической среды с ленточной ДР. Приведенные выше результаты исследований характеризуют основные физические закономерности энергетических характеристик излучения в МДС с полубесконечной диэлектрической средой. Вместе с тем, в предложенных устройствах дифракционной электроники используются МДС конечных размеров, которые располагаются либо над периодической структурой, формирующей поверхностную волну черенковский генератор типа ЛОВ, либо в объеме ОР над зеркалом с дифракционной решеткой черенковско-дифракционный генератор.

В первом случае используется черенковский режим возбуждения МДС, а во втором случае дифракционно-черенковский с излучением гармоник в вакуум и диэлектрик. В простейшем варианте целесообразно использовать диэлектрические пластины (призмы) прямоугольного сечения, которые по своей форме наиболее технологичны в изготовлении и хорошо сочетаются с отражательными и ленточными ДР, являющимися составными частями приборов дифракционной электроники.



Рисунок 1.11 - Зависимости мощности гармоник излучения от фазовой скорости волны при в областях - а, - б), - в, г: ( ___ ), ( _ _ _ ), ( ……. ); 1 - , 2 - , 3 - , 4 -

При этом конечные размеры призм по периметру и толщине могут оказывать существенное влияние на характеристики ДЧИ за счет возможности возникновения в них волновых и резонансных процессов. Такая система становится многоcвязной и содержит четыре класса волн: волны тока пространственного заряда ЭП (при моделировании - неоднородные поверхностные волны ДВ); локализованные вблизи ДР волны в виде спектра медленных гармоник; объемные волны, излучаемые под углами (1.3), (1.4); волноводные волны, возникающие в диэлектрической призме за счет возможности отражения объемных волн от ее граней, которые могут быть идентифицированы в виде волн плоского диэлектрического волновода (ПДВ), экранированного ленточной ДР, что позволяет привлечь имеющиеся результаты по исследованию ПДВ к описанию физических процессов при моделировании ДЧИ в МДС конечных размеров и показать возможность существования многомодовых режимов возбуждения и волн с индексами . Кроме присутствия в диэлектрическом слое указанных выше волн, необходимо также учитывать отражения от торцов призмы, которые могут приводить к возникновению продольных резонансных колебаний на длине призмы при целом числе полуволн, в результате чего может накапливаться энергия гармоник, сосредоточенных в диэлектрике.

Исходя из вышеизложенного, волновая модель ДЧИ в ограниченных МДС анализируется в виде многосвязной электродинамической системы, образованной экранированным решеткой плоским диэлектрическим волноводом (резонатором) и ДВ. В такой системе могут проявляться резонансные эффекты за счет многомодовости МДС, возможности накопления энергии в диэлектрической призме, возбуждения прямых и обратных связанных волн.

При экспериментальном моделировании условий возбуждения ДЧИ на прямоугольной призме вдоль дифракционной решетки на расстоянии располагался диэлектрический волновод, который включался в измерительную схему (рис. 1.3). Апертурные размеры призм выбирались, исходя из требования минимальных искажений полей ОР при внесении в них МДС: и (размеры по осям и соответственно) - сравнимы с апертурами зеркал открытого резонатора (5460 мм).

Исходя из условия одномодовости для исследуемых в эксперименте МДС из фторопласта () и поликора (), толщина призм должна удовлетворять, соответственно, соотношениям и . В миллиметровом диапазоне волн реализация первого варианта МДС не представляет больших затруднений, а для поликора становится проблематичной из-за малой физической толщины призмы. Поэтому основные исследования проводились с призмами из фторопласта в диапазоне частот ГГц для интервала значений , что позволяло реализовать моделирование от одномодового режима возбуждения МДС до значений . Для проверки достоверности результатов эксперимента использовалась стандартная призма из поликора (мм), которая по своим электродинамическим свойствам была эквивалентна фторопластовой призме с . При возбуждении МДС применялась серия калиброванных прямоугольных ДВ из фторопласта и полистирола, обеспечивающая проведение исследований в диапазоне относительной скорости волны (характеристики основных из них для ограниченного интервала частот приведены на рис. 1.7). Прицельный параметр выбирался по методике, которая подробно изложена в подразделе 1.1.

...