КОЛЕБАНИЯ ТИПА ШЕПЧУЩЕЙ ГАЛЕРЕИ ЭЛЛИПСОИДАЛЬНОГО ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РЕЗОНАТОРА С МАЛЫМ ЭКСЦЕНТРИСИТЕТОМ

June 28, 2012 by admin Комментировать »

Когут А. Е., Еременко 3. Е., Филиппов Ю. Ф., Кутузов В. В. Институт радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова НАН Украины 61085, г. Харьков, ул. Ак. Проскуры, 12 Тел.( 0572)448-593; e-mail: kogut@ire.kharkov.ua

Исследуются зависимости резонансных частот колебаний, их собственных добротностей от азимутальной координаты ер: источника излучения в полосе частот 30-36ГГц.

Для сравнения характеристик колебаний и сопоставления полученных результатов, в работе исследовался полусферический ДР диаметром D=60mm (фторопласт), расположенный на плоском металлическом зеркале.

Щель связи в металлическом зеркале исследуемых ДР ориентировалась по отношению к радиусу плоских оснований диэлектрических структур таким образом, что в резонаторах возбуждались TM моды. Малый эксцентриситет эллипсоидального ДР позволяет в приближении рассматривать его колебания как моды волноводного типа, существующие в сферических ДР. По шкале частот резонансные отклики колебаний исследуемых резонаторов представляют собой почти периодические последовательности с усредненным расстоянием между соседними резонансами равными 0,9ГГц в эллипсоидальном ДР, и 1,2 ГГц-в полусферическом резонаторе.

Результаты исследований зависимостей резонансной частоты колебаний и их собственной добротности показали, что они имеют немонотонный и близкий к периодическому характер поведения, в отличие от спектральных и энергетических характеристик колебаний полусферического ДР, которые не зависят от азимутальной координаты источника в связи с однородностью формы структуры в азимутальном направлении. Интересно, что азимутальные координаты максимумов и минимумов частоты и добротности совпадают с расположением большей и меньшей геометрических осей ДР. Возбуждение колебаний в направлении наименьшей оси ох позволяет в приближении рассматривать их как моды диэлектрической полусферы, поскольку волны ШГ распространяются вдоль внутренней поверхности ДР по траекториям (волноведущим каналам) с минимальным изменением их кривизны (градиентом кривизны). Возбуждение колебаний в направлении наибольшей оси оу характеризуется наибольшим градиентом кривизны поверхности, образующей волноведущий канал на поверхности ДР. Изменение собственной добротности сопровождается изменением ширины резонансной кривой колебания. При ухудшении добротности резонансная кривая “расплывается”, что в ДР, близких по своим электродинамическим свойствам к сферическим резонаторам, может быть вызвано двумя причинами:

–       снятием вырождения резонансных мод;

-увеличением потерь энергии вырожденных колебаний.

Влияние эллиптичности ДР как неоднородности с распределенными параметрами на поля вынужденных колебаний может привести к снятию их вырождения. Иными словами изменение направления возбуждения колебаний в эллипсоидальном ДР путем изменения азимутальной координаты источника должно приводить к изменению расстояния по шкале частот между резонансными откликами мод, отличающихся значениями азимутального индекса т. Для усиления предполагаемого эффекта снятия вырождения колебаний в эллипсоидальном ДР в поле его колебаний вводится локальная неоднородности в виде отверстия на металлическом зеркале, расположенная на противоположной стороне диэлектрической структуры относительно источника излучения [6].

Следует отметить, что, как было показано в [6], в отличие от собственных колебаний кратность вырождения вынужденных колебаний, возбуждаемых сосредоточенным источником определяется на волноводном переходе, образованным связью источника излучения волн с криволинейным диэлектрическим волноведущим каналом на поверхности ДР. При расположении источника между осями эллипсоида (ф|=30°) и глубине отверстия h=0,5 мм в спектре эллипсоидального ДР наблюдается снятие частотного вырождения, кратность которого в условиях эксперимента равна 2. Снятие вырождения осуществляется с понижением частоты высшей азимутальной моды с т=2. Вблизи рабочей частоты f=36 ГГц расстояние по шкале частот между расщепленными модами составляет Af=9 МГц (схематические осциллограммы на рис.2а).

Рис. 2. Динамика спектров эллипсоида Fig. 2. Dynamics of ellipsoid spectra

При изменении азимутальной координаты источника величина Af меняется и при cpi=75° и 255° (координате, которой соответствует распространение волн ШГ в ДР по волноведущим каналам с наибольшим градиентом кривизны) достигает максимального значения Af=16Mn_( (рис.26). Напротив, при расположении источника излучения таким образом, что распространение волн осуществляется вдоль траекторий с наименьшим градиентом кривизны однородной кривизной (ф|=165° и 245°) видимого расщепления колебаний нет и Af«0 (рис.2в).

Измерение собственной добротности колебаний возможно при отсутствии их вырождения при всех значениях cpi источника. С этой целью влияние локальной неоднородности на поля колебаний усиливается путем увеличения глубины отверстия в зеркале ДР до 1,5 мм. При такой глубине отверстия расщепление мод по азимутальному индексу очевидно даже при значениях cpi: 120°-200° и 290°-20°, которым соответствует возбуждение волн в каналах с наименьшим градиентом кривизны.

На рис.З графически отображены зависимости резонансной частоты (рис.За) и собственной добротности (рис.Зб) приведенные к их максимальным значениям для моды с т=2 на частотах, близких к 36 ГГц.

Рис. 3 Характеристики моды т=2 Fig. 3. Characteristics of the m=2 mode

Видно, что данные зависимости имеют немонотонный характер, близкий к периодическому. Наибольшие значения собственной добротности регистрируются для колебаний ШГ, образованных волнами, распространяющимися по волноводным каналам с наименьшим градиентом кривизны при ф|-И65° и 345°. Минимумы добротности, определяемые наибольшими потерями энергии колебаний, наблюдаются при их возбуждении в направлении большей оси эллипсоида, характеризуемого наибольшим градиентом кривизны (ф|=75° и 255°). Можно предположить, что влияние градиента кривизны приводит к наибольшему увеличению радиационных потерь энергии, поскольку потери в диэлектрике близки к постоянным, а омические потери на зеркале ДР малы вследствие высокой проводимости металла и малых размеров пятен полей в области источника и в его отображении [7]. Перестройка резонансной частоты моды с т=2 зависит от ф| источника и объясняется, как показано в [5], изменением протяженности волноведущего канала. В связи с этим, при фиксированном числе вариаций поля в направлении распространения волны в ДР, изменяется резонансная частота колебаний.

Результаты измерения распределения полей на поверхности эллипсоидального ДР показали, что области их локализации, также как и в полусферическом ДР [7], имеют форму неоднородных поясков с сужениями вблизи металлического зеркала, в области источника и в его отображении на противоположной стороне диэлектрической структуры относительного источника, а также расширением между ними. Ширина пояска в наиболее узкой части почти не меняется и близка к размеру широкой стенки возбуждающего волновода 7,2 мм. На периферии расширенной части ширина пояска поля определяется положением источника относительно осей эллипсоида, что связано с изменением кривизны волноводного канала. Наибольшая ширина пояска при этом изменяется на 8-9%.

Таким образом, в работе показано, что в отличие от ДР со сферической поверхностью, спектральные и энергетические характеристики вынужденных колебаний ШГ эллипсоидального ДР зависят от азимутальной координаты источника излучения волн, определяющей его положение относительно геометрических осей диэлектрической структуры. Форма областей локализации полей колебаний ШГ и их размеры также определяются азимутальной координатой источника. Зависимость свойств колебаний от выбранного направления в эллипсоидальном ДР по отношению к его геометрическим осям приводит к снятию вырождения мод резонатора.

1\/.Список литературы

1.  Брагинский В. Б., Ильченко В. С. II Докл. АН СССР, 1987. Т. 293. № 6. с. 1358-1361.

2.  Когут А. Е., Харьковский С. Н., Кутузов В. В., Гоомов П.В. Ill Крымская конф. СВЧ техника и телекоммуникационные технологии Севастополь. Труды конф., 1997, Т.2.

3.  Вайнштейн П. А. Открытые резонаторы и открытые волноводы. М.: Сов. радио, 1966. 475 с.

4.  Ishikava Н., Tamaru Н., Miyamo К. // Journ. Of Am. Opt. Soc.

2000.               V.17. p. 802-804.

5.  Kogut A. II Tech.I Phys. Lett. 2002. V.28, №12. p.1007-1010.

6.  Когут A. E., Кутузов В. В., Филиппов Ю. Ф., Харьковский С. Н. // Изв. вузов. Радиоэлектроника. 1997. Т. 40,

№ 2, с. 19-26.

7.  Харьковский С. Н., Когут А. Е., Солодовник В. А. // Письма в ЖТФ. 1995. Т.21. В.18. С. 38-42.

WHISPERING GALLERY MODES OF SMALL-ECCENTRICITY ELLIPSOID DIELECTRIC RESONATORS

Kogut A. Ye., Yeremenko Z. Ye., Filippov Yu. F., Kutuzov V. V.

Usikov Institute of Radiophysics and Electronics, NASU 12 Akademika Proskury Str., Kharkiv, Ukraine, 61085 e-mail: kogut@ire.kharkov.ua

Abstract The influence of defects in spherical forms of semispherical dielectric resonators (DRs) on their oscillation frequency, Q-factor and field distribution has been studied in the present paper. It is shown that even minor deviations (~1%) in spherical forms affect the resonator EM characteristics. The frequency splitting and dependence of spectrum parameters on the azimuth angle in semispherical dielectric resonators with small deviation in spherical forms has been observed experimentally.

I.   Introduction

Nowadays high-Q resonant systems based on DRs with whispering gallery (WG) oscillations are widely used in highstability oscillators and filters for a mm-wave band. They may also be used as measurement cells for dielectrometers. However, possible production defects in the shape of semispherical DRs may affect spectrum characteristics of both the DRs and devices based on them. Studying the influence of these deviations is the topic of the present paper.

II.   Main part

The experimental study has been carried out with a DR in the shape of a one-half of a triaxial ellipsoid with the axes D-i, D2=a1D1 and D3=a2D1 (си=1 .006; a2=1.013). The Teflon DR was placed on a plane metal mirror. The excitation of oscillations in the DR occurred along the plane metal surface. The origin of EM oscillations was at the open edge of a hollow metal waveguide. The dependence of resonant frequencies and Q-factor on the azimuth angle of oscillations origin in the 30-35GHz range was studied. It was observed experimentally that the frequency and Q-factor dependence on the azimuth angle has a quasi-periodic nature compared to the same values for a semispherical DR. It is interesting to note that the maxima and minima of frequency and Q-factor values are located at the larger and smaller geometrical axes of the semi-ellipsoid.

III.   Conclusion

It has been shown that the spectrum and power characteristics of induced WG oscillations in a semi-ellipsoid DR depend on the azimuth angle of the oscillation source coordinate. The shape of the EM field localization and its size also depend on the azimuth angle of the source. The dependence of the DR spectrum properties on a selected direction in a semi-ellipsoid with respect to its geometrical axes results in the splitting of resonance modes.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2003г.

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