ЭЛЕКТРОННО-ВОЛНОВЫЕ ПРОЦЕССЫ В УСИЛИТЕЛЕ НА ЭФФЕКТЕ СМИТА-ПАРСЕЛЛА С МЕТАЛЛОДИЭЛЕКТРИЧЕСКИМ СЛОЕМ

April 19, 2012 by admin Комментировать »

Воробьев Г. С., Кривец А. С., Петровский М. В.

Сумский государственный университет ул. Римского-Корсакова 2, Сумы-40007, Украина тел.: 0542-39-23-72, e-mail: vp@sumdu.edu.ua Шматько А. А.

Харьковский национальный университет пл. Свободы 4, Харьков-310007, Украина тел.: 0572-45-71-33, e-mail: alexandr.a.shmatko@univer.kharkov.ua

Аннотация – В работе теоретически и экспериментально исследована электродинамическая система усилителя на эффекте Смита-Парселла, содержащая металлодиэлектрический слой и периодическую структуру. Рассмотрено влияние основных параметров системы на электронноволновые процессы в открытом волноводе. Установлена возможность управления волноводными характеристиками путем изменения толщины диэлектрического слоя.

I.  Введение

В последнее время значительное внимание уделяется вопросам создания новых модификаций нерелятивистских генераторов и усилителей миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов волн, использующих дифракционное (Смита-Парселла) и черенковское излучения [1, 2]. В частности, в работах [3, 4] исследована модель усилителя на базе двухзеркального открытого волновода (ОВ), возбуждаемого объемными волнами дифракционного излучения. В данной работе теоретически и методом экспериментального моделирования исследована электродинамическая система усилителя на эффекте Смита-Парселла, образованная параллельно расположенными периодической металлической и металлодиэлектрической структурами.

II.  Основная часть

Открытый волновод исследуемой системы образован периодической структурой типа «гребенка» и металлодиэлектрическим слоем (МДС) толщиной А с диэлектрической проницаемостью е. Между периодической структурой и МДС располагался распределенный источник излучения: в теоретической модели

–    электронный поток (ЭП), при экспериментальном моделировании – диэлектрический волновод (ДВ). Подробное описание теоретической модели приведено в [5], а методика эксперимента в [6].

Теоретические исследования показали, что в объеме ОВ могут распространяться: поверхностные волны периодической структуры, объемные волны в пространстве между «гребенкой» и МДС, а также объемные волны непосредственно в МДС. Установлена возможность взаимодействия объемных волн двух типов с волнами пространственного заряда ЭП, что указывает на перспективность использования МДС в целях повышения многофункциональности системы и эффективности взаимодействия ЭП с полем электродинамической структуры реальных усилителей. Изменяя параметры периодической структуры, диэлектрическую проницаемость слоя и расстояние между зеркалами можно управлять количеством волн в ОВ, изменять условия их распространения: реализовать режимы как поверхностных так и объемных волн. Так, на рис.1 показаны зависимости продольного волнового числа Re /и и инкремента

нарастания дифракционной гармоники 11m //1 от относительной скорости ЭП (JJ) для различных нормированных к периоду структуры расстояний между зеркалами {%= 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 25 графики 1-8, соответственно).

Рис.1 Fig. 1

Как видно из зависимостей, кривые 1 (х = 8) характеризуют волну с Re /и близким к 0, что соответствует углу излучения порядка л/ 2. Увеличение х со_ провождается уменьшением угла излучения и увеличением Re /и, что в предельном случае характерно переходу объемных волн в поверхностные.

При экспериментальном моделировании параметры системы ДР-ДВ находились из условия реализации режима формирования объемной волны в ОВ [1]. Исследования проводились в диапазоне частот f=30-37ГГц для МДС с е = 2.

Система условно разбивалась на три взаимосвязанных области: ДВ – формирователь поверхностной волны (источник излучения); ДР – преобразователь поверхностной волны ДВ в объемную; МДС – преобразователь поверхностной волны ДВ в объемную для диэлектрического слоя. При качественном анализе формирования полей в МДС использовалась концепция парциальных волн, согласно которой в слое присутствуют две волны: возбуждаемая излучением от системы ДР-ДВ и туннелированная поверхностная волна ДВ в диэлектрик (модельный аналог черенковского излучения).

Установлено, что по сравнению с системой без металлодиэлектрического слоя волновые процессы в ОВ значительно усложняются. Характерным для диэлектрического слоя толщиной А <1(1- длина волны излучения) является распространение большей части энергии в окружающем пространстве. При этом условие одномодовости выполняется при согласовании фазовой скорости волны в диэлектрике со скоростью в окружающем пространстве [7]. Диэлектрический слой выполняет функцию антенны, излучающей энергию под углами, близкими к продольной оси ОВ. Для диэлектрического слоя с А > 1 выполняется закон полного внутреннего отражения, и значительная доля энергии сосредотачивается в диэлектрике. При нанесении на диэлектрический слой металлического экрана излучение отражается и поступает в объем ОВ, возбуждая вдоль его оси волну. Таким образом, в системе распространяются две объемные волны (в МДС и в объеме ОВ), которые связаны между собой через поверхностную волну ДВ.

Исследование волноводных характеристик систем ДВ-диэлектрический слой, ДВ-ДР-диэлекгрический слой и общей системы ОВ показало, что КСВ элементов ОВ и системы в целом лежат в интервале значений 1.05+1.4, что значительно отличается от ОВ без диэлектрического слоя, где КСВ достигал величины порядка 2.0 за счет резонансности системы. При этом для А>Л наблюдается рост значений коэффициента прохождения (Кп), при изменении частоты, по сравнению с аналогичной системой без МДС. Данное явление обусловлено тем, что при А « 1 большая часть энергии выходит из диэлектрика и распространяется в ОВ. Наблюдаемые максимумы и минимумы в зависимости Кп от частоты обусловлены синфазностью и противофаз- ностью двух волн, распространяющихся в ОВ.

I.    Заключение

В работе показана перспективность использования МДС для повышения эффективности взаимодействия ЭП с полем электродинамической системы ОВ. Экспериментально установлена возможность уменьшения резонансных свойств открытого волновода за счет введения в него металлодиэлектрического слоя. При этом, путем изменения толщины диэлектрического слоя можно управлять волновыми процессами в исследуемой системе.

II.   Список литературы

[1]    Генераторы  дифракционного излучения / Под ред.

В.      П. Шестопалова; АН УССР. Ин-т радиофизики и электроники // – Киев: Наук, думка, 1991.- 320 с.

[2] Г. С. Воробьев, А. И. Цвык. Приборы дифракционной электроники с пространственно-развитыми структурами (об- зор)//Вестник СумГУ,- 2002.-№5(38)-№6(39).- С. 158-171.

[3] Воробьев Г. С., Рубан А. И., Шматько А. А. Исследование электродинамической системы усилителя КВЧ на эффекте Смита-Парселла//Материалы 8-й Международной Крымской конф. «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии».-!’.! .-Севастополь: СГТУ,- 1998,-С. 214-216.

[4] Г. С. Воробйов, А. I. Рубан, О. С. Кривець, О. О. Шматько. Пщсилення електромагытних хвиль на ефект1 Смп^а- Парселла//Ф1зичний зб1рник HTLU.- 2001 .-Т.4,-С.323-330.

[5] Возбуждение колебаний в усилителе на эффекте Смита- Парселла с металло-диэлектрическим слоем/

Г. С. Воробьев, А. С. Кривец, А. А. Шматько, Э. М. Хуторян // Вестник СумГУ.-2002.-№ 5(38)-6(39).-С.110-116.

[6] Воробьев Г. С., Кривец А. С., Петровский М. В. Экспериментальное моделирование волновых процессов в усилителе на эффекте Смита-Парселла// Вестник СумГУ,-

2002. -№ 5(38)-№ 6(39).- С.117-124.

[7] Волновое моделирование черенковского и дифракционного излучений в пространственно ограниченных металлодиэлектрических структурах / Г. С. Воробьев //Радиотехника.-2000, № 116,- С.12-20.

WAVE-LIKE PROCESSES IN SMITH-PARSEL AMPLIFIER WITH THE METALL-DIELECTRIC LAYER

Vorobjov G. S. , Krivets A. S. , Petrovsky М. V.

Sumy State University

1      Rymski-Korsakov St., Sumy-40007, Ukraine e-mail: vp@ssu.sumy.ua

Shmatko A. A.

Kharkov State University 4 Svoboda St., Kharkov-310007, Ukraine e-mail: alexandr.a.shmatko@univer.kharkov.ua

Abstract – Amplifier electrodynamics system which consists of periodic structure and metal-dielectric layer and based on Smith-Parcel effect has being theoretically and experimentally investigated.

I.  Introduction

Recently considerable attention has been paid to creation of a new generators and amplifiers modifications which used diffraction (Smith-Parcel) and Cerencov radiations [1,2]. In particular amplifier model based on two mirrors open wave-guide (OW) stimulated by diffraction volume waves radiation were investigated in [3, 4]. Availability of such system was performed.

II.  Main part

The open wave-guide of investigated system was formed by periodic structure grating type and metal-dielectric layer (MDL) with thickness A and permittivity of MDL – e. The distributed source of radiation (in theory – electron beam (EB), in experiment – dielectric wave-guide (DW)) was situated batwing periodic structure and MDL. Theoretical model was described in

[4] and experimental technique – in [6].

The opportunity of volume wave’s amplification which propagate in MDL and periodical structure-MDL gap was performed by theoretical investigations. Influence of basic electrodynamics parameters of OW-system on waves propagation conditions and on operating mode selection was shown.

Experimental investigations were carried out in frequency range f= 30 -37 GHz. Parameters of the OW were choose with a view of volume wave formation [1].

The space characters experimental researchers by the method of moving antenna [1, 5] showed that for A< 1 (,1- radiation wave length) energy mostly expend in environment. In the same time, one-mode conditions are executed when the phase velocities waves in dielectric and in environment are agreed [7]. The dielectric layer did antenna function and radiated energy under angle which near with OW longitudinal axis. For A> A principle of full inside reflection executed and dig part of energy concentrate inside of dielectric.

Exploration of wave behaviors of OW systems and its separate parts has shown that standing-wave ratio of OW elements and OW at all are about 1.05-1.4, that differ from OW without dielectric when standing-wave ratio achieved 2.0 as resonance ones. Increasing of transmission coefficient in case of A~ A when frequency is changing indicates that most part of energy leave dielectric layer. Increasing of dielectric thickness the most part of energy concentrate in dielectric (A = 4A) and consequently decreasing of DW with MDL union and transmission coefficients for OW elements.

I.     Conclusion

In this paper, availability of MDL employment and possibility of OW resonance properties decreasing introducing MDL were shown. Dielectric layer thickness verifying we may increase and decrease unions between DW and speeded waves. This information is useful for the practical realisation of new type devices EHF range.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии»

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты