СПЕКТРАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МНОГОРЕЗОНАТОРНОЙ СИСТЕМЫ СО СФЕРИЧЕСКИМИ ЗЕРКАЛАМИ

June 15, 2012 by admin Комментировать »

Афонин Д. Г., Малышкин А. К. Россия, Москва, 119992, ГСП-2, Ленинские Гэры Физический факультет МГУ им. М. В. Ломоносова тел. (095)939-2094, e-mail: afonin@phys.msu.su


Аннотация Приведены результаты экспериментального исследования многорезонаторной электродинамической системы со сферическими зеркалами в миллиметровом диапазоне. Получены зависимости коэффициента передачи от частоты и расстояния между зеркалами, исследованы распределения полей возбуждающихся типов колебаний, рассчитаны значения добротности.

I.  Введение

Одним из широко используемых и перспективных электродинамических элементов в СВЧ-диапазоне являются многорезонаторные системы [1], изучение разнообразных модификаций которых представляет несомненный интерес.

При проведении исследований использовался автоматизированный комплекс, позволяющий с применением персонального компьютера и ряда экспериментальных методик исследовать в миллиметровом диапазоне спектр, распределение поля возбуждающихся типов колебаний, измерять добротность [2].

II.  Основная часть

Рассмотрим результаты исследования электродинамической системы, состоящей из последовательно расположенных и дифракционно связанных двухзеркальных открытых резонаторов (ОР) с зеркалами сферической формы. Система представляла собой совокупность двух медных блоков, на которых путем механической обработки изготавливалась цепочка расположенных рядом зеркал (рис.1).

Рис. 1. Внешний вид системы и схема ее исследования Fig. 1. Appearance of the system and research setup

В качестве элементов связи с внешними трактами использовались малые центральные отверстия в зеркалах; при этом посредством такого отверстия происходило возбужение от внешнего генератора одного из ОР, а через аналогичное отверстие в зеркале одного из соседних связанных ОР сигнал поступал на анализирующую аппаратуру. Один из блоков зеркал исследуемой системы был неподвижно закреплен; другой блок зеркал размещался на столике с микрометрическими подачами, обеспечивающими перемещение перпендикулярно оптической оси системы. Связанные ОР со сферическими зеркалами исследовались при последовательном увеличении количества возбуждаемых ОР: сначала рассматривался одиночный ОР, затем система из двух ОР, трех и т.д. В системе из восьми сферических зеркал с радиусом кривизны 7,7мм и апертурой 14мм удалось возбудить колебания вплоть до седьмого резонатора. На рис. 2 представлен спектр для второго резонатора.

Рис. 2. Спектр системы для второго резонатора. Fig. 2. Spectrum of the system for the second resonator

График получен при изменении расстояния L между блоками зеркал и фиксированной частоте возбуждения (f=75rrц). При этом, как правило, обнаруживалась эквидистантность возбуждаемых в спектре типов колебаний. Следует также отметить, что максимальную амплитуду колебаний удается наблюдать лишь в первом ОР до расстояния Ы2мм. Этому L соответствует концентрическая геометрия резонаторов, а при увеличении расстояния между зеркалами резонатор попадает в неустойчивую область, что соответствует значительному росту дифракционных потерь. С другой стороны, часть энергии, вышедшей из первого резонатора, может попадать в соседний ОР и обеспечивать возбуждение в нем колебаний. Однако, как показывает эксперимент, для получения достаточно добротных колебаний с хорошей амплитудой расстояние L между зеркалами должно быть невелико. Анализируя частотные спектры системы при L=1mm для случая возбуждения одного, двух и трех ОР, можно сказать, что система не возбуждалась на частотах менее 64 Ггц, что объясняется запредельным режимом работы отверстия связи на низких частотах. Значительное увеличение добротности (от значений 100-200 до 400-1000) при переходе от одного резонатора к двум можно объяснить разрежением спектра, вследствие чего оставшиеся типы колебаний обладают меньшими потерями. Дальнейшее увеличение количества резонаторов приводит только к увеличению дифракционных потерь, что объясняет последующее снижение добротности (до значений 300-700).

Рассмотрим более подробно процесс передачи энергии между соседними резонаторами, анализируя распределения полей в системе. Для этого рассмотрим в качестве примера тип колебания 1 во втором резонаторе (см. рис. 2). Результаты исследования его распределения поля приведены на рис. 3.

Рис. 3. Распределение поля возбуждающегося типа колебаний

Fig. 3. Field distribution of the excited oscillation type

Этот неосновной тип колебания эффективно возбуждается в системе и имеет значительную амплитуду поля вблизи краев зеркал. Пунктирными линиями на рисунке показаны центральная ось симметрии и края зеркал ОР.

Рассмотрим процесс взаимодействия соседних ОР в системе. С увеличением расстояния между зеркалами внешняя каустика соответствующего типа колебаний достигает края зеркала; в этом случае основную роль в формировании колебаний начинает играть дифракционная связь на краях зеркал рядом расположенных ОР. При этом возрастают дифракционные потери данного колебания, а часть излученной за пределы ОР энергии попадает в соседний резонатор. Так как поле высших типов колебаний локализовано ближе к краям зеркал, эти типы колебаний с большими дифракционными потерями эффективнее возбуждаются в соседних ОР.

I.     Заключение

Таким образом, для многорезонаторной электродинамической системы получены спектральные характеристики, рассчитаны значения добротности и выявлены особенности возбуждения типов колебаний.

II.    Список литературы

[1]  Аксенчик А. В.. Кураев А. А.. Навроцкий А. А..

Синицын А. К. Оптимизация ЛБВ-0 на нерегулярной цепочке связанных резонаторов. Электромагнитные волны и электронные системы, т. 4, № 2, 2000 г., с. 28-34.

[2]  Афонин Д. Г.. Малышкин А. К. Автоматизированные методики исследований резонансных систем и свойств вещества. — В кн.: 10-я Международная Крымская конференция «СВЧ техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо’2000). Материалы конференции [Севастополь, 11-15 сентября 2000 г.]. — Севастополь: Вебер,

2000,  с. 513-514. ISBN 966-572-048-1,

IEEE Cat. Number 00ЕХ415.

SPECTRAL CHARACTERISTICS OF MULTICAVITY SYSTEM WITH SPHERICAL MIRRORS

Afonin D. G., Malyshkin A. K.

Physics Department, Moscow State University

Vorobyovy Gory, Moscow, GSP-2, Russia, 119992 phone +7 (95) 9392094, e-mail: afonin@phys.msu.su

Abstract The results of experimental research into a mmwave multicavity electrodynamic system with spherical mirrors are presented. Dependences of transfer ratio on the frequency and distance between the mirrors have been obtained; field distributions of excited oscillation types have been investigated, Q-factor has been calculated.

I.   Introduction

One of the most widely used and promising microwave electrodynamic elements are multicavity systems [1] whose varieties present an interesting subject for studies. A computerized system has been used in this research which allows with the aid of a PC and certain experimental techniques for the investigation in the mm-range of the spectrum and the field distribution of excited oscillation types, as well as for the Q-factor measurements [2].

II.   Main part

Consider the research of an electrodynamic system comprising located in series and diffraction-connected two-mirror open resonators (ORs) with spherical mirrors. The system represented the combination of two copper blocks on which a chain of mirrors positioned side by side (Fig. 1) was fabricated.

In a system comprising eight spherical mirrors with the curvature radius of 7.7mm and the 14mm aperture, oscillations up to the seventh resonator could be excited. In Fig. 2 the spectrum of the second resonator is shown. The diagram has been obtained by varying the distance L between blocks of mirrors at the fixed excitation frequency (f=75GHz). One should note that the maximum amplitude of oscillations could be observed only with the first OR up to the distance L«2mm. This is due to the concentric geometry of resonators corresponding to the value of L, while with the increasing distance between the mirrors the resonator moves into an unstable area, which corresponds to a significant growth of diffraction losses. On the other hand, the portion of the energy emerging from the first resonator may penetrate into the adjacent OR and excite oscillations there. However, as the experiment has shown, the distance between the mirrors should be small enough to obtain oscillations of sufficient quality and adequate amplitude.

When analyzing the frequency spectra at L=1mm in cases of exciting one, two and three ORs, one may say that the system has not been excited at frequencies below 64GHz, which is explained by a below-cutoff operational mode of the coupling hole at low frequencies. Significant growth of Q-factor (from the values of 100-200 to 400-1000) during the switch from one resonator to two may be explained by the spectrum rarefication resulting in smaller losses for the remaining types of oscillations. A further increase in the number of resonators results only in growing diffraction losses, which explains the subsequent decrease of Q-factor (down to values 300-700).

Consider in greater detail the process of energy transfer between the adjacent resonators by analysing field distributions in the system. For this purpose we take as an example Type 1 oscillation in the second resonator (Fig. 2). Results of investigating its field distribution are shown in Fig. 3. This minor type of oscillations is efficiently excited in the system and has a significant field amplitude close to the mirror edges. Dashed lines in the figure show the central axis of symmetry and edges of the OR mirrors. Consider the interaction between the adjacent ORs in the system. With the increasing distance between the mirrors the external caustic surface of the corresponding oscillation type reaches the edge of the mirror. Here the diffraction coupling at the mirror edges of adjacent ORs begins to dominate in the generation of oscillations. At the same time, diffraction losses of the given oscillation grow and the portion of the energy emitted outside the OR boundaries gets into an adjacent resonator. Since the field of higher oscillation types is located closer to the mirror edges, these types of oscillations having big diffraction losses are more efficiently excited in adjacent ORs.

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