ОСОБЕННОСТИ РЕЗОНАНСНЫХ КВАЗИОПТИЧЕСКИХ СТРУКТУР В ТЕХНИКЕ И ЭЛЕКТРОНИКЕ КВЧ

February 28, 2013 by admin Комментировать »

Воробьёв Г. С., Петровский М. В., Журба В. О. Сумский государственный университет ул. Римского-Корсакова 2, г. Сумы, 40007, Украина тел.: (0542)-39-23-72, e-mail: vp@sumdu.edu.ua

Аннотация – Кратко изложены основные свойства «классических» открытых резонаторов (ОР) без неоднородностей. Рассмотрены свойства ОР с периодическими металлическими неоднородностями, связанных ОР, а также различных модификаций резонансных открытых металлодиэлектрических структур.

I.                                       Введение

в электронике и технике миллиметровых и субмиллиметровых (МСМ) волн в качестве резонансных систем широкое применение нашли открытые резонаторы (ОР), являющиеся важнейшими элементами целого ряда устройств. Полусферические и сфероцилиндрические ОР, на одном из зеркал которых расположена отражательная дифракционная решетка (ДР), используются при создании различных модификаций генераторов дифракционного излучения (ГДИ) [1]. На базе ОР с уголково-эшелеттными зеркалами созданы эффективные полупроводниковые генераторы с использованием диодов Гана и ЛПД. Широкое практическое применение, в качестве колебательной системы, открытые резонансные системы нашли в релятивистской электронике, на основе которых созданы различные модификации генераторов и усилителей.

Одним из путей дальнейшего развития приборов МСМ диапазона волн является модификация их электродинамической системы с целью расширения полосы пропускания и повышения эффективности преобразования энергии электронного потока (ЭП) в энергию излучения. При решении этих вопросов понадобились новые подходы, которые были предложены и реализованы в виде различных модификаций открытых электродинамических систем: связанных ОР [2], открытых волноводов (ОВ), а также устройств с металлодиэлектрическими структурами (МДС) [3], на которых возможна реализация дифракционно- черенковских механизмов возбуждения волн.

II.                              Основная часть

к кпассическим резонансным квазиоптическим структурам относятся ОР без неоднородностей: плоскопараллельный, сфероидальный, полусферический, резонатор с двугранными отражателями. Однако наибольшее распространение в технике МСМ волн получили сфероидальный и полусферический ОР. Такие резонаторы, благодаря особой форме зеркал, имеют большую разрешающую способность, менее критичны к разъюстировке и имеют малые потери энергии на один проход. Важным преимуществом резонаторов с фазовой коррекцией является большое разделение по потерям основного и высших типов колебаний.

С целью использования описанных выше структур в электронике КВЧ было предложено ввести в полусферический ОР периодическую неоднородность типа дифракционной решетки. Такая электродинамическая система, при выполнении плоского зеркала в виде отражательной ДР, используется в «оротроне» [1]. Однако для нее существенно возрастают полные потери, в результате чего добротность уменьшается в несколько раз. Для преодоления этого недостатка было предложено только центральную часть плоского зеркала полусферического ОР выполнять в виде ДР. Прибор такого типа получил название ГДИ. Основным преимуществом ОР с локальной ДР является более разреженный спектр колебаний, которым можно управлять меняя параметры решетки.

Особенностью уголково-эшелеттного ОР является высокая добротность квазиосновных типов колебаний и тот факт, ЧТО уголково-эшелеттное зеркало является многоступенчатым трансформатором импеданса. Это позволило использовать такую колебательную систему в квазиоптических твердотельных генераторах накачки.

В релятивистской электронике широкое применение нашли кольцевой, бочкообразный и Брегговский ОР, обладающие повышенной электрической прочностью и эффективной селекцией типов колебаний.

Устройства дифракционной электроники на связанных ОР, по сравнению с однорезонаторными ГДИ обладают рядом преимуществ [2]: имеют более широкий диапазон перестройки частоты, могут эффективно использоваться в качестве усилителей мощности и умножителей частоты. Такие устройства могут быть реализованы как путем последовательного вкпючения резонаторов, со связью через дифрагированное на зеркалах поле, так и параллельного вкпючения ОР, со связью через ленточные ДР относительно оси распределенного источника излучения. Сравнение резонансных характеристик последовательно связанных ОР и базового – полусферического, показывает, что ширина резонансной кривой связанной системы возрастает почти в два раза. Максимальную же полосу пропускания можно достичь при параллельном включении ОР, величина которой может достигать значений в пять раз больше, чем при последовательном включении ОР. Таким образом, с ТОЧКИ зрения увеличения широкополосности открытых резонансных систем, предпочтительным является связанный ОР со связью через ленточные ДР, обеспечивающий также и минимальные габариты прибора вдоль оси ЭП.

Многосвязные системы, в виде ОР и ОВ, в объеме которых расположена МДС позволяют реализовать различные режимы трансформации энергии в зависимости от параметров электродинамической системы. Введение в ОР МДС, выполненной в виде диэлектрической призмы, на боковую поверхность которой нанесена ленточная ДР, приводит к качественно новым электродинамическим свойствам такой системы [3]: при изменении параметров МДС возможна реализация режимов затухания энергии в ОР, увеличения амплитуды колебаний и их добротности, селекции колебаний.

Перспективной, с точки зрения реализации регенеративного и широкополосного усиления электромагнитных волн на пространственных гармониках дифракционного излучения (излучения Смита- Парселла), при движении нерелятивистского ЭП ВДОЛЬ периодической структуры, является система ОВ С МДС. Установлено, что путем изменения электродинамических параметров ОВ возможна реализация различных режимов возбуждения колебаний: режима дифракционного излучения по нормали – регенеративный режим, режима бегущей объемной ВОЛНЫ и режима поверхностных волн (ЛОВ, ЛБВ).

В целом, проведенный анализ свидетельствует о ВОЗМОЖНОСТИ применения МДС для вывода энергии в устройствах типа ЛОВ, а также в качестве диэлектрического резонатора для дифракционно-черенков- ских генераторов.

На основании проведенного обзора на рис 1 представлена структурная схема устройств на базе резонансных квазиоптических структур, позволяющая наглядно проиллюстрировать состояние их развития на данном этапе.

Рис 1.

Fig 1.

III.                                  Заключение

в работе систематизированы результаты исследований как классических открытых резонансных структур, ЯВЛЯЮЩИХСЯ базовыми при построении новых модификаций колебательных систем приборов и устройств МСМ ВОЛН, так и более сложных электродинамических систем С пространственно-развитыми периодическими структурами: связанных ОР, открытых резонаторов и волноводов с МДС. Показано, что связанные ОР имеют более широкий диапазон перестройки частоты при сохранении высоких значений добротности колебаний. Многосвязные системы, выполненные в виде ОР и ВОЛНОВОДОВ с МДС, обладают качественно новыми свойствами: путем изменения параметров МДС возможна реализация режимов затухания энергии, либо увеличения амплитуды колебаний и их селекции. Данные результаты указывают на перспективность дальнейших исследований открытых электродинамических систем с простран- ственно-развитыми структурами.

IV.                           Список литературы

[1]  генераторь/дифракционного излучения / Под ред. Шестопалова В. П. – К.: Наук. Думка, 1991. -320 с.

[2]  Vorobjov G. S. Electrodynamic properties of coupled quasi- optical open cavities in sources of millimeter radiation //

Laser Physics. – 2000. – Vol.10, № 4. – P. 932-938.

[3]  Г С. Воробьев, A. С. Кривец, М. В. Петровский,

А. И. Рубан, А. И. Цвык Моделирование черепковского и дифракционного излучений на периодических металлодиэлектрических структурах (обзор) // В1сник СумДУ. – 2003. – № 10(56). – С. 110 – 130.

FEATURES OF RESONANCE QUASIOPTICAL STRUCTURES USED IN EHF ENGINEERING AND ELECTRONICS

Vorobiov G. S., Petrovsky M. V., Zhurba V. O.

Sumy State University

2,           Rymski-Korsakov Str, Sumy, 40007, Ukraine e-mail: vp@sumdu.edu.ua

Abstract – Basic properties of «classical» open resonators (OR) without discontinuities are briefly stated. Properties of OR with periodic metal discontinuities, coupled OR, and also different modifications of the resonance open metal-dielectric structures are considered.

I.                                         Introduction

The open resonators (OR) being the most important elements of many devices are widely used in electronics and technical equipment of millimeter and sub-millimeter (MSM) waves as resonant systems. Hemispherical and sphere-cylindrical OR’s, a reflective diffraction grating (DG) is located on one of their mirrors, and used when creating various modifications of diffraction radiation generators (DRG) [1].

One of ways for the further development of MSM wave band devices is updating of their electrodynamic system with to broaden a passband and increase energy transformation efficiency of an electronic stream (ES) into radiation energy. When solving these problems, some new approaches became necessary, they were offered and realized as various updating of open electrodynamic systems: connected OR [2], open waveguides (OW), and also devices with metal-dielectric structures (MDS) [3] on which wave excitation diffraction-Cerenkov mechanisms would be realized. [3].

II.                                        Main Part

Classical resonant quasi-optical structures include OR’s without heterogeneities: plane-parallel, spherical, hemispherical resonators and resonators with two-sided reflectors. However, spherical and hemispherical OR’s are the most distributed in MSM-wave engineering.

To use the structures in EHF electronics described above, it was offered to enter DG type periodic heterogeneity into the hemispherical OR. Such electrodynamic system, when making a flat mirror as a reflective DG, is used in DRG [1]. Basic advantage of OR with a local DG is more rarefied spectrum of fluctuations, which can be controlled changing parameters of the grating.

Devices of diffraction electronics on connected OR in comparison with single-resonator DRG’s have a number of advantages [2]: a wider range of frequency tuning, it can be effectively used as amplifiers of capacity and frequency multipliers. Such devices can be realized both by consecutive inclusion of resonators with connection via a field diffracted on mirrors, and by OR parallel inclusion with connection through a tape DG relatively an axis of a distributed radiation source. Comparison of resonant characteristics of consistently connected OR and base-hemispherical ones shows that the width of the resonant curve of a connected system exceeds almost twice. The maximal passband is possible to be reached at OR parallel inclusion which size may reach values five times more than at OR consecutive inclusion.

III.                                       Conclusion

Results of researches, both the classical open resonant structures being base at construction of new updating of oscillatory systems of devices, and MSM-wave devices, and more complicated electrodynamic systems with spatially-advanced periodic structures, are classified: connected OR’s, open resonators and wave guides with MDS. It is shown that connected OR’s have wider range of reorganization of frequency at preservation of high values of good quality of fluctuations. The multi-connected systems manufactured as OR’s and wave-guides with MDS have qualitatively new properties: by change of MDS parameters the realization of modes of energy attenuation, or amplitude increase of fluctuations and their selections is possible. The present results specify availability of the further researches of open electrodynamic systems with spatially – advanced structures.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

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