О ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ПЕРИОДИЧЕСКИХ МЕТАЛЛОДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТРУКТУР В ЭЛЕКТРОНИКЕ КВЧ

April 21, 2012 by admin Комментировать »

Воробьев Г. С., Петровский М. В., Кривец А. С., ЦвыкА. И. Сумский государственный университет ул. Римского-Корсакова 2, Сумы-40007, Украина тел.: 0542-39-23-72, e-mail: vp@sumdu.edu.ua

Аннотация – Приведены результаты исследований резонансных открытых электродинамических систем с металлодиэлектрическими структурами (МДС), которые могут быть использованы при построении новых модификаций усилительных и генераторных устройств электроники КВЧ.

I.  Введение

В настоящее время широкое применение в электронике КВЧ находят различные виды радиационных эффектов при движении электронов вдоль периодических неоднородностей. Перспективными в плане использования данных эффектов являются различные модификации открытых электродинамических систем с пространственно-развитыми периодическими МДС типа диэлектрический слой (резонатор) – ленточная дифракционная решетка (ДР) [1]. Однако, вопрос практического применения таких структур до настоящего времени остается открытым, что обусловлено спецификой поляризационных явлений наблюдаемых при прохождении нерелятивистского электронного потока (ЭП) в канале или в близи поверхности диэлектрика.

II.  Основная часть

Простейший тип исследуемой электродинамической системы представляет собой металлический экран и диэлектрический слой, на боковой поверхности которого нанесена ленточная ДР. Вдоль решетки движется ЭП, который в зависимости от параметров системы может возбуждать различные пространственные гармоники дифракционно-черенковского излучения (ДЧИ). Для такой системы разработаны численные и экспериментальные методы моделирования [2] различных режимов возбуждения ДЧИ, позволяющие определить количественные соотношения плотности энергии пространственных гармоник излучения и оптимизировать параметры электродинамической системы в соответствии с поставленной задачей. Получены теоретические и экспериментальные зависимости относительной плотности энергии гармоник излучения от расстояния до экрана. Их анализ показывает, что для минус первой гармоники в вакуум, при изменении расстояния до экрана, наблюдается резонансная периодичность. При этом данная гармоника – противофазна относительно нулевой гармоники и сдвинута по фазе относительно гармоники с п = —1, излучаемой в диэлектрик.

При моделировании ДЧИ в ограниченных МДС установлено, что характерным для призм толщиной меньше длинны волны, является распространение большей части энергии в окружающем пространстве. Диэлектрик выполняет функцию антенны, излучающей энергию под углами близкими к ее продольной оси.

Для призм с толщиной А >1(1 – длинна волны излучения) начинает выполняться закон полного внутреннего отражения, и значительная доля энергии сосредоточена в диэлектрике. Углы излучения из торца призмы увеличиваются и приближаются к расчетным значениям, определенным по законам лучевой оптики.

Естественным переходом от простейшей резонансной системы, описанной выше, к более сложной, является открытый резонатор (ОР) с МДС, который образован сферическим зеркалом с выводом энергии и плоским зеркалом с отражательной ДР. Между зеркалами ОР расположена МДС выполненная в виде диэлектрической призмы, на боковую поверхность которой нанесена ленточная ДР.

В результате исследования установлено, что введение в открытый резонатор МДС приводит к качественно новым электродинамическим свойствам такой системы: при изменении параметров МДС возможна реализация режимов затухания энергии в ОР, увеличения амплитуды колебаний и их добротности, селекции колебаний. Обнаруженные свойства такой системы находят объяснение в рамках физической модели ДЧИ для МДС конечной толщины [3] и известной концепции о представлении резонансного поля в виде углового спектра плоских волн [2]. МДС, как самостоятельный дисперсионный элемент, будет осуществлять фильтрацию спектра плоских волн, изменяя их положение в резонансном объеме. Это обуславливает изменение пространственного распределения полей, возбуждаемых в ОР типов колебаний. Вторым фактором, существенно отличающим многосвязную систему такого типа от обычного ОР с ДР, является наличие дополнительного излучения из МДС, зависящего от волновых процессов в диэлектрической призме.

Методом экспериментального моделирования получены типичные спектры колебаний ОР с МДС из фторопласта для различных значений толщины призмы А. Их анализ показывает, что при А«1/4 на частоте /=74 ГГц спектр колебаний ОР с МДС коррелирует со спектром колебаний базового ОР. Такой режим соответствует однолепестковой диаграмме направленности излучения из МДС. Для призмы с А»1 колебания в ОР практически отсутствуют, а при А и ЗА – амплитуда их мала. С уменьшением частоты, /=70 ГГц, свойства ОР с МДС толщиной Ах 1/4 и Ак/l в основном сохраняются. При этом существенно возрастает амплитуда колебаний для А«31. Наблюдаемое затухание колебаний в ОР при Ди1 происходит вблизи значений критических длин волн, возбуждаемого в диэлектрическом слое типа волны [3]. При этом поле сосредотачивается в области МДС-ДР.

Исследования резонансных кривых ОР с МДС показало, что такая система может обладать селективными свойствами, выражающимися в уменьшении ширины резонансной кривой и подавлении колебаний на боковых частотах.

В целом, результаты исследований свидетельствуют о возможности применения МДС для вывода энергии в устройствах типа ЛОВ, а также в качестве

Рис. 1 /Fig. 1

диэлектрического резонатора для дифракционно- черенковских генераторов. Пример реализации таких устройств схематично представлен на рис. 1. Пучок

электронов 1 формируется пушкой 2 и пропускается в канале 3, образованном смежными поверхностями резонатора 4, на боковую поверхность которого нанесена ленточная решетка 6, и замедляющей системой 5. Запасенная в резонаторе 4 энергия выводится через волновод 7. В случае выполнения дифракционно- черенковского генератора для вывода энергии используется подвижное зеркало 8 со щелью связи 9.

III.  Заключение

В работе приведены результаты численного и экспериментального моделирования дифракционного и черенковского излучений в резонансных периодических металлодиэлектрических структурах.

Установлены общие закономерности волновых процессов в системе диэлектрический слой – ленточная дифракционная решетка – экран.

Приведены результаты исследований многосвязных систем, выполненных в виде ОР с МДС. Показано, что такая система обладает качественно новыми свойствами, по сравнению с ОР без МДС: путем изменения толщины диэлектрика и значений е возможна реализация режимов затухания энергии в ОР, либо увеличения амплитуды колебаний и их селекции. Данные результаты указывают на перспективность использования резонансных открытых электродинамических систем с МДС в усилительных и генераторных устройствах КВЧ.

IV.  Список литературы

[1]    Воробьев Г. С., Цвык А. И. Приборы дифракционной электроники с пространственно-развитыми структурами (обзор) // BicHHK Сумського державного уыверситету, 2002. – № 5(38)-6(39). – С. 158 – 171.

[2]     Г. С. Воробьев, А. С. Кривец, М. В. Петровский,

А. И. Рубан, А. И. Цвык. Моделирование черенковского и дифракционного излучений на периодических металлодиэлектрических структурах (обзор) // Вюник Сумського державного уыверситету. – 2003. – № 10(56).-С. 110-130.

[3]    Воробьев Г. С. Волновое моделирование черенковского и дифракционного излучений в пространственно ограниченных металло-диэлектрических структурах // Радиотехника: Всеукр. Межвед. Научн.-техн. сб. – 2000.-Вып.116-С.12-20.

POSSIBLE APPLICATIONS OF PERIODIC METAL-DIELECTRIC STRUCTURES IN EHF ELECTRONICS

Vorobyov G. S., Petrovskiy М. V.,

Krivets A. S., TsvykA. I.

Sumy State University

2      Rymskogo-Korsakova St., Sumy-40007, Ukraine e-mail: vp@sumdu.edu.ua

Abstract – Results of investigating resonant open electrodynamic systems with metal-dielectric structures (MDS) are presented. The obtained data may be used in the design of new versions of EHF amplifier and oscillator devices.

I.  Introduction

Various types of radiation effects generated by electrons moving along periodic heterogeneities have found wide applications in EHF electronics. The application of these effects in various modifications of open electrodynamic systems with spatially developed periodic metal-dielectric structures of a dielectric layer (resonator) – tape diffraction lattice (DL) type looks very promising [1 ].

II.  Main part

The simplest type of the electrodynamic system under investigation represents a metal screen and a dielectric layer with a tape DL on its lateral surface; an electron stream moves along the lattice.

Theoretical and experimental dependences of relative energy density of radiation harmonics on distances from a screen were developed earlier [2]. The simulation of a diffraction- Cerenkov radiation (DCR) in a restricted MDS has revealed that for prisms less than a wavelength thick most of the power is dissipated in the ambient space. For prisms with a A > Л thickness, where Л is the radiation wavelength, the law of complete internal reflection becomes effective, and considerable energy is concentrated in the dielectric.

A natural transition from the elementary resonant system described above to a more composite would comprise an open resonator (OR) with an MDS, which is formed by a spherical mirror with energy removal and a flat mirror having a reflective DL. An MDS in the shape of a dielectric prism with a tape DL on its lateral surface is located between the OR mirrors.

Our research has established that introducing an MDS into the open resonator produces qualitatively new electrodynamic properties in such a system: variations in the MDS parameters enable power attenuation modes in the OR, increased oscillation amplitudes and their higher Q, as well as selective oscillations. As an isolated dispersion element, the MDS provides filtering of plane waves by modifying their position in a resonant volume. This results in varying spatial distribution of the fields of oscillations types excited in the OR. Another factor that makes this type of a multiply connected system quite different from an ordinary OR with a DL is the presence of an additional radiation from the MDS, dependent on ripple processes in the dielectric prism.

III.  Conclusion

The paper presents the results of numerically and experimentally simulating diffraction and Cerenkov radiations in resonant periodic metal-dielectric structures.

General patterns of ripple processes have been established for a dielectric layer – tape diffraction lattice – screen system.

The research into multiply connected systems in the shape of an OR with an MDS is discussed. This system has been shown to offer qualitatively new properties compared to an MDS-less OR: by modifying the dielectric thickness and £ values the modes of power attenuation may be provided in the OR, or, alternatively, oscillations amplitude and their Q may be increased, and selection of oscillations may be implemented. The available data makes the OR with an MDS a promising device in the EHF amplifier and oscillator applications.

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