Багатоступінчасті сповільнюючі системи та їх застосування в клінотронах міліметрових та субміліметрових хвиль

Опис методів аналізу електродинамічних характеристик відкритих багатоступінчастих сповільнюючих систем. Особливості формування полів випромінювання. Використання результатів при створенні клінотронів з квазіоптичним розподіленим виводом енергії.

Рубрика Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника
Вид автореферат
Язык украинский
Дата добавления 05.01.2014
Размер файла 38,2 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ РАДІОФІЗИКИ ТА ЕЛЕКТРОНІКИ ІМ. О.Я. УСИКОВА

УДК 621.372.86: 621.373.4/.5

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

БАГАТОСТУПІНЧАСТІ СПОВІЛЬНЮЮЧІ СИСТЕМИ ТА ЇХ ЗАСТОСУВАННЯ В КЛІНОТРОНАХ МІЛІМЕТРОВИХ ТА СУБМІЛІМЕТРОВИХ ХВИЛЬ

01.04.03 - радіофізика

ПІШКО ОЛЬГА ФЕДОРІВНА

Харків - 1999

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Радіоастрономічному інституті НАН України.

Науковий керівник:

Чурилова Світлана Анатоліївна, кандидат фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Радіоастрономічний інститут НАН України, старший науковий співробітник.

Офіційні опоненти:

Кириленко Анатолій Опанасович, доктор фізико-математичних наук, професор, Інститут радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України, зав. відділом, м. Харків;

Казанський Вадим Борисович, доктор фізико-математичних наук, професор, Харківський державний університет, професор.

Провідна установа: Харківський державний технічний університет радіоелектроніки, кафедра метрології та вимірювальної техніки, Міністерство освіти України, м. Харків.

Захист відбудеться "27" квітня 1999 р. о 15-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.157.01 в ІРЕ НАН України (310085, м. Харків, вул. Ак. Проскури, 12).

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці ІРЕ НАН України (310085, м. Харків, вул. Ак. Проскури, 12).

Автореферат розісланий " 25" березня 1999 р.

Т.в.о. вченого секретаря спеціалізованої вченої ради доктор фізико-математичних наук Кириченко О.Я.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Протягом останніх років продовжується інтенсивне освоєння діапазонів міліметрових (мм) та субміліметрових (субмм) довжин хвиль. Це висуває нові та більш складні вимоги до джерел електромагнітної енергії, ліній передачі та різноманітних пасивних та активних елементів для вказаних діапазонів хвиль. Періодичні гратки є важливою складовою частиною багатьох електронних приладів, елементів антенної та вимірювальної техніки. Вивчення особливостей формування полів такими структурами викликає інтерес у зв'язку з рішенням широкого кола прикладних задач.

Застосування багатоступінчастих періодичних граток відкриває додаткові можливості по управлінню їх властивостями. Відмітною особливістю багатоступінчастих періодичних граток є наявність в довгохвильовій частині спектру їх власних хвиль швидких просторових гармонік. Використання таких структур як сповільнюючих систем у вакуумних генераторах типу ламп зворотної хвилі мм та субмм діапазонів довжин хвиль дозволило створити новий прилад, названий клінотроном з квазіоптичним розподіленим виводом енергії [1]. Принцип роботи цього генератора полягає в тому, що при збудженні гребінчастої багатоступінчастої сповільнюючої системи електронним пучком над нею у вільному просторі формується спрямоване випромінювання, характеристики якого визначаються розмірами та геометрією сповільнюючої системи, що дозволяє здійснити вивід енергії з генератора. В зв'язку з цим таку сповільнюючу систему необхідно розглядати як складну електродинамічну структуру, що відкрита у вільний простір, в якій формування поля, що взаємодіє з електронним потоком, не можна відділити від формування поля випромінювання, що забезпечує вивід енергії з приладу.

Для розуміння фізичних принципів роботи приладу та вибору оптимальної геометрії простору взаємодії необхідно теоретично та експериментально дослідити особливості збудження відкритих сповільнюючих систем. Окрім того, аналіз електродинамічних властивостей таких структур має самостійний інтерес, тому що являє достатньо складну математичну проблему, яка розв'язувалась тільки в деяких окремих випадках.

Вивчення цих питань складає основний зміст дисертаційної роботи.

Актуальність теми. Створення генераторів, які мають високий рівень вихідної потужності у короткохвильовій частині мм та субмм діапазонах довжин хвиль, є актуальною науковою та важливою прикладною задачею. Особливо перспективним є в цьому аспекті застосування багатоступінчастих періодичних структур як коливальних систем в електронних приладах.

Використання в клінотроні відкритої багатоступінчастої сповільнюючої системи дозволило покращити вихідні характеристики приладу, зокрема, збільшити генеруючу потужність та забезпечити за рахунок квазіоптичного розподіленого виводу енергії узгодження з квазіоптичними лініями передачі в зазначених діапазонах.

Тому запроваджені в роботі дослідження, спрямовані на з'ясування та детальне вивчення фізичних особливостей формування полів у складних відкритих електродинамічних структурах та на створення генераторів мм і субмм діапазонів довжин хвиль з покращеними вихідними характеристиками вельми актуальні.

Метою даної роботи є розробка ефективних теоретичних та експериментальних методів аналізу особливостей формування полів у відкритих багатоступінчастих сповільнюючих системах та використання одержаних результатів при створенні клінотронів з квазіоптичним розподіленим виводом енергії.

Для досягнення цієї мети вирішувалися такі задачі:

розробка ефективних методів та алгоритмів аналізу розсіюючих та направляючих властивостей відкритих багатоступінчастих сповільнюючих систем;

вивчення електродинамічних властивостей таких структур, аналіз впливу на них зміни конфігурації періоду та способу збудження;

використання одержаних результатів при моделюванні та оптимізації простору взаємодії клінотронів з квазіоптичним розподіленим виводом енергії;

створення нових зразків приладів.

Наукова новизна роботи полягає:

в модифікації відомих методів електродинаміки до аналізу специфічного класу періодичних структур - відкритих багатоступінчастих сповільнюючих систем, та рішення на їх основі ряду нових електродинамічних задач;

в з'ясуванні фізичних особливостей формування полів відкритими багатоступінчастими сповільнюючими системами, аналізі дисперсійних властивостей у заборонених зонах діаграми Брілюена, виявленні та вивченні резонансних явищ у довгохвилевій області;

в застосуванні методу фотокерованих напівпровідникових пластин, яким вперше була одержана візуальна картина полів поверхневих хвиль багатоступінчастих сповільнюючих систем;

у використанні одержаних результатів при чисельному моделюванні сповільнюючої системи у клінотронах з квазіоптичним розподіленим виводом енергії.

Обґрунтованість та достовірність одержаних в роботі результатів визначається адекватністю використаних теоретичних моделей реальним фізичним умовам, коректністю застосованих математичних методів аналітичного та чисельного аналізу, випливає із виконання граничних переходів до відомих раніше результатів. При постановці та проведенні експериментів використані та удосконалені апробовані методи сучасної радіофізики. Експериментальні висновки відповідають теоретичним.

Практичне та наукове значення роботи.

використані методи рішення електродинамічної задачі дозволяють достатньо повно описати електродинамічні характеристики відкритих багатоступінчастих гребінчастих сповільнюючих систем та провести чисельне моделювання геометрії простору взаємодії;

одержані результати теоретичних та експериментальних досліджень формування полів у відкритих багатоступінчастих гребінчастих сповільнюючих структурах дозволяють дати рекомендації по вибору геометрії сповільнюючої системи та режимів роботи клінотрона з квазіоптичним розподіленим виводом енергії; ці результати також можна використати при створенні антен на сповільнюючих структурах;

розроблені генератори міліметрового та субміліметрового діапазону довжин хвиль - клінотрони з квазіоптичним розподіленим виводом енергії, мають покращені вихідні характеристики, вони можуть використовуватись також як активні антени з електричним скануванням;

запропонований спосіб узгодження клінотрона з квазіоптичним розподіленим виводом енергії з квазіоптичними лініями передач дозволив створити компактну конструкцію генератора та узгоджуючого переходу.

Особистий внесок здобувача в роботи, які написані у співавторстві, полягає в участі у постановці задач [2, 5]; у вирішенні поставлених задач, розробці чисельних алгоритмів, проведенні розрахунків та аналізі одержаних результатів [1, 2, 4-8]; участі в розробці нових конструкцій клінотронів з квазіоптичним розподіленим виводом енергії, проведенні вимірювань на експериментальних установках [3, 7].

Основні положення, які виносяться на захист:

Результати теоретичного дослідження електродинамічних характеристик відкритих багатоступінчастих гребінок на основі рішення задач збудження їх хвилеводом та плоскою хвилею.

Результати експериментальних досліджень особливостей формування полів у відкритих багатоступінчастих сповільнюючих системах стосовно до клінотронів з квазіоптичним розподіленим виводом енергії.

Розробка та дослідження клінотронів з квазіоптичним розподіленим виводом енергії.

Пакети прикладних програм для чисельного моделювання відкритої багатоступінчастої сповільнюючої системи.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами та темами. Зміст дисертаційної роботи є частиною теоретичних та експериментальних досліджень, які проводились в ІРЕ, а потім в РІ НАН України по вивченню особливостей взаємодії електронних потоків з полем сповільнюючих систем в приладах типу ламп зворотної хвилі з метою створення ефективних джерел коливань міліметрового та субміліметрового діапазонів довжин хвиль. Результати роботи є складовою частиною НДР, які увійшли у відповідні науково-технічні звіти: номер Держреєстрації 76020089 (шифр "Шивера"), 1980р., номер Держреєстрації 81.067.994 (шифр "Бета"), 1985р., номер Держреєстрації 01.86.0.095209 (шифр "Бета"), 1990р., номер Держреєстрації 01.89.0.084058 (шифр "Динаміка"), 1993р., номер Держреєстрації 01.91.0.024651 (шифр "Лямбда"), 1993р.

Апробація роботи. Викладені в дисертаційній роботі наукові результати обговорювалися на Всесоюзнім науковім семінарі "Електродинаміка періодичних структур" МЕІ, м. Москва (1988, 1993), доповідались на 1 Всесоюзній науково-технічній конференції "Пристрої та методи прикладної електродинаміки" (Одеса, 1988), International Conference on Millimeter and Submillimeter Waves and Applications (USA, San-Diego, 1994), Second International Conference on Antenna Theory and Techniques (Kyiv, Ukraine, 1997).

Публікації. Результати дисертації опубліковані в 4 статтях в наукових журналах та збірнику наукових статей, в 1 препринті та в працях 3 наукових конференцій. багатоступінчаста сповільнююча клінотрон квазіоптичне

Структура та обсяг дисертації. Основний текст дисертації складається із вступу, чотирьох розділів і висновку (114 сторінок машинописного тексту). Робота містить 56 сторінок ілюстрацій, 2 таблиці (у тексті) і включає список літератури, що складається з 69 бібліографічних найменувань (8 стор.). Загальний обсяг роботи 178 сторінок.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми та прикладне значення дисертації. Сформульована мета роботи, наведено короткий зміст та основні положення, що виносяться на захист, а також обґрунтована її наукова новизна та практичне значення одержаних результатів.

У першому розділі представлено короткий огляд наукової літератури, на основі якого вибрані моделі опису багатоступінчастих сповільнюючих систем та відповідні методи розрахунків і вимірювань їх електродинамічних характеристик.

У другому розділі розглянуто збудження основною хвилею плоского хвилеводу відкритої багатоступінчастої гребінчастої сповільнюючої системи з тонкими ламелями, яка має у періоді довільну кількість канавок різної глибини. Оскільки збуджуючий сповільнюючу систему хвилевід порушує її періодичність, то поле у верхньому напівпросторі не є простою суперпозицією просторових гармонік Флоке і зображується у вигляді неперервного спектру, який описується інтегралом Фур'є.

Була одержана система лінійних алгебраїчних рівнянь, рішення якої методом лишків дозволило привести її до скінченої системи трансцендентних рівнянь. Чисельний аналіз цієї системи здійснюється запропонованим ефективним способом розрахунків електродинамічних характеристик багатоступінчастої сповільнюючої системи з використанням нестандартних процедур, які дозволяють моделювати сповільнюючу систему у відповідності з потрібними характеристиками. Для окремого випадку двухступінчастої системи результати співпали з відомими даними, приведеними в роботі [2].

Розсіяне поле, що є суперпозицією повільних поверхневих хвиль, швидких просторових гармонік та хвиль безперервного спектру, описується такими характеристиками як: коефіцієнт відбиття падаючої хвилі, спектральна щільність перетворення Фур'є розсіяного поля, поле випромінювання у дальній зоні, дисперсійна залежність.

Характер залежності коефіцієнта відбиття від частоти показує, що у багатоступінчастих сповільнюючих системах існують особливості, яких немає в одноступінчастих системах. Злами кривих модуля та фази коефіцієнта відбиття відповідають виникненню або зникненню поверхневих хвиль, які розповсюджуються уздовж структури, а рішення дисперсійного рівняння дозволяє визначити області їх існування. Аналіз функції спектральної щільності поля показує наявність максимумів на частотах, які відповідають кореням дисперсійного рівняння. В разі переходу в область швидких хвиль виявляється, що у деякому діапазоні частот спектральна амплітуда, як і до того, має максимуми. Максимуми на спектральній кривій в області швидких хвиль вказують на те, що система має вибірність та ефективно підтримує тільки означені хвилі. Детальний чисельний аналіз показав, що направляючі властивості сповільнюючих систем в області повільних хвиль зберігаються і в області швидких хвиль, або ж багатоступінчаста сповільнююча система має дисперсійну характеристику і в заборонених зонах діаграми Брілюена. Дослідження спектрів хвиль у широкому діапазоні частот дозволили побудувати на дисперсійних діаграмах криві, які є продовженням відповідних дисперсійних залежностей в область швидких хвиль. Удалині від області існування повільних хвиль направляючі властивості сповільнюючої системи послабляються. Аналіз спектру у цих областях показує, що максимуми слабо виражені, і, таким чином, спектр практично неупорядкований.

Зміна геометрії періоду багатоступінчастої сповільнюючої системи дозволяє у широких межах управляти дисперсійною характеристикою: перерозподіляти ширину смуг пропускання та непропускання, змінювати знак дисперсії.

В постановці розглянутої задачі прийнято припущення про необмежені розміри багатоступінчастої сповільнюючої системи. У реальних умовах доводиться мати справу із сповільнюючими системами скінчених розмірів, тому важливо знати вплив цього фактора на їх дисперсійні властивості. У роботі вирішена задача з урахуванням впливу поперечного розміру сповільнюючої системи і показано, що урахування її ширини вносить поправки у розраховані дисперсійні характеристики, які добре узгоджуються з експериментально одержаними даними.

Однією із характеристик поля у верхньому напівпросторі є кутове розподілення поля випромінювання у дальній зоні або ж діаграма спрямованості. Застосування для наближеного обчислення інтеграла Фур'є асимптотичного методу перевалу дозволило одержати вираз для головного члену асимптотичного розкладу, із якого виходить, що поле у дальній зоні має вигляд циліндричної хвилі з кутовим розподілянням, яке відрізняється від амплітуди плоскої хвилі, що розповсюджується в напрямі під кутом випромінювання , лише множником kcos, де k - хвильове число.

Для ефективного виводу енергії з генератора необхідно формування однопелюсткової, по можливості, вузької діаграми спрямованості з максимумом по нормалі до поверхні сповільнюючої системи. Теоретичні розрахунки показують принципову можливість одержання такої діаграми спрямованості в області швидких хвиль. В області поверхневих хвиль діаграма спрямованості, в основному, визначається діаграмою спрямованості збуджуючого хвилеводу.

Метод збудження хвилеводом дозволив достатньо повно описати характер електромагнітного поля багатоступінчастих сповільнюючих систем, які мають однакову ширину канавок, у наближенні безкінечно тонких ламелей. Коли ж змінюється ширина канавок або товщина ламелей у періоді сповільнюючої системи, то застосувати цей метод неможливо. Для опису особливостей формування полів у таких багатоступінчастих сповільнюючих системах використовуються методи теорії дифракції.

Цьому питанню присвячено третій розділ дисертації, в якому на основі строгого рішення задачі дифракції плоскої Н-поляризованої електромагнітної хвилі на гребінках із складною структурою періоду проводиться дослідження впливу його конфігурації на дисперсію і розподіл амплітуд просторових гармонік. Для довільних параметрів структур, частоти та кута падіння електромагнітної хвилі рішення наводиться у вигляді системи алгебраїчних рівнянь другого роду, аналіз якої проводиться чисельно методом редукції.

При вивченні розсіяного на багатоступінчастих гребінках поля відмічено, що такі структури формують поля з яскраво вираженими резонансними особливостями і значними амплітудами вищих просторових гармонік у довгохвильовій області. Ці резонанси не спостерігаються в одноступінчастих системах [3], вони не пов'язані також з виникненням нових дифракційних гармонік, що розповсюджуються. В зв'язку з цим було висловлено припущення, що такий характер поля обумовлено існуванням швидких хвиль, які присутні у спектрі власних хвиль відкритих сповільнюючих систем. Рішення дисперсійного рівняння для часткового випадку дійсних коренів показало, що резонанси амплітуд гармонік у довгохвильовій області пов'язані з режимами поверхневих та швидких хвиль і відповідають межі смуги пропускання дисперсійної характеристики та (або ж) переходу в область швидких хвиль.

Зміна геометрії періоду багатоступінчастої структури дозволяє управляти їх амплітудно-частотними характеристиками, виключати режим дзеркального відбиття та добитися незначної зміни амплітуд просторових гармонік у достатньо широкій частотній області або, навпаки, резонансного їх збільшення. Порівнюючий аналіз дисперсійних залежностей для систем різної конфігурації показав, що найбільш різко на зміну їх геометричних параметрів реагує система з періодичною зміною глибини канавки, для якої у деяких смугах пропускання можлива зміна знаку дисперсії. Для всіх розглянутих конфігурацій багатоступінчастих систем є характерним перерозподіл ширини смуг пропускання і непропускання у залежності від їх геометричних параметрів.

Викладені методи дозволяють провести ефективний аналіз розсіюючих та направляючих властивостей багатоступінчастих сповільнюючих систем, дати рекомендації по вибору геометрії сповільнюючої системи та режимів збудження, таким чином моделювати і оптимізувати простір взаємодії в клінотронах з квазіоптичним розподіленим виводом енергії.

Для підтвердження основних теоретичних висновків та одержання більш повної інформації про особливості формування полів у відкритих багатоступінчастих сповільнюючих системах були проведені експерименти при збудженні систем різної геометрії хвилеводом ("холодні" вимірювання) та електронним пучком.

Експерименти виконувались в мм та субмм діапазонах довжин хвиль на макетах та клінотронах з квазіоптичним розподіленим виводом енергії. Обговорення результатів експериментальних досліджень та рішення окремих прикладних задач складають зміст четвертого розділу.

Для вимірювання дисперсійних характеристик та візуалізації структури поля поверхневих хвиль відкритих багатоступінчастих сповільнюючих систем на "холодних" вимірюваннях вперше використано метод фотокерованих напівпровідникових пластин [4, 5], який відносять до методів реактивного зондування. Суть цього методу полягає в тому, що в досліджуваній ділянці НВЧ-поля розміщують нерухому напівпровідникову пластину з малим темновим збудженням поля. По поверхні пластини переміщується інтенсивна світлова пляма необхідної форми та розмірів. Різке збільшення концентрації неурівноважених носіїв струму на ділянці засвітки приводить до зміни електродинамічних характеристик пластини (коефіцієнтів відбиття, заломлення, поглинання). Приймаючи розсіяний напівпровідниковою пластиною НВЧ-сигнал, можна відновити інформацію про досліджуване поле.

Метод дозволяє контролювати апертури розміром 100х100 мм2 з дискретним зменшенням поля аналізу у 2, 4 та 8 разів. Час формування зображення поля, що контролюється, не більш як 32 сек, рядка - 0.8 сек. Зміна розмірів діаметру світлової плями регулюється в межах від 2 до 0.2 мм. У ряді задач, які не вимагають вимірювань високочастотних складових розподілу НВЧ поля, що досліджується, а також при якісному відтворенні структури поля, достатньо обмежити розмір світлової плями 1/4 або 1/2 , для вимірювання дисперсійних характеристик розмір світлової плями складав 1/15 , де - довжина хвилі. Метод дозволяє здійснити візуалізацію структури НВЧ-поля у рядковому, яскравісному та аксонометричному режимах індикації. Режим запису розподілення поля у вибраному перетині на самописці дозволяє визначити довжину сповільненої хвилі та побудувати дисперсійні характеристики. Вимірювання дисперсійних характеристик у режимі поверхневих хвиль проведені для чотирьох- та п'ятиступінчастих сповільнюючих систем у 8-мм діапазоні довжин хвиль.

Вимірювання дисперсійних характеристик при збудженні багатоступінчастої сповільнюючої системи електронним пучком у клінотронах з квазіоптичним розподіленим виводом енергії виконувались в мм та субмм діапазонах довжин хвиль.

Порівняння експериментальних та теоретичних результатів показує їх повну відповідність. Багатоступінчасті сповільнюючі системи збуджуються в окремих смугах в режимах поверхневих та швидких хвиль, при зміні кількості канавок у періоді сповільнюючої системи (чотирьох- або п'ятиступінчаста сповільнююча система) зміщуються точки розривів дисперсійної характеристики. Помічено також, що найбільш легко багатоступінчасті сповільнюючі системи збуджуються на межах смуг пропускання. Різниця між теорією та експериментом спостерігається у кількості збуджених смуг пропускання. В експерименті їх менше. Однією з можливих причин є вплив пускових струмів.

Можливість формування багатоступінчастою сповільнюючою системою діаграми спрямованості із заданими характеристиками показана теоретично. Експериментальне дослідження діаграм спрямованості випромінювання багатоступінчастої сповільнюючої системи виконувалось шляхом вимірювань поля випромінювання клінотронів з квазіоптичним розподіленим виводом енергії у Е- та Н- площинах. Вимірювання виконувались у 2-мм та субмм діапазонах за допомогою зонда на різних відстанях від сповільнюючої системи.

Вимірювання показали, що у клінотронів, у яких використано багатоступінчасту систему, формується однопелюсткова діаграма спрямованості як у Е-, так і Н-площині з кутом випромінювання по нормалі до її поверхні. Кутові розміри основного пелюстка відповідають довжині та ширині сповільнюючої системи. Так як довжина системи у приладах звичайно більша, ніж її ширина, то у Н-площині діаграма спрямованості більш широка, ніж у Е-площині. При зміні режиму роботи приладу змінюється також кут випромінювання, таким чином здійснюється електричне сканування діаграми спрямованості.

Порівняння виміряних полів випромінювання клінотронів з одноступінчастою та багатоступінчастою сповільнюючими системами показало, що при використанні одноступінчастої системи діаграма спрямованості із заданими характеристиками не формується, тому що причиною випромінювання одноступінчастої системи є випадкові неоднорідності та крайові ефекти.

Можливість каналізації електромагнітного випромінювання з мінімальними збитками є одним із важливіших питань, які необхідно вирішувати при практичному використанні клінотронів з квазіоптичним розподіленим виводом енергії.

При узгодженні клінотрона з квазіоптичною лінією передачі, зокрема з діелектричним променеводом, який має симетричну діаграму спрямованості, необхідно несиметричну діаграму клінотрона перетворити у симетричну з фазовим фронтом, близьким до плоского. Оскільки узгодження у дальній зоні з енергетичної та конструктивної точки зору є нераціональним, його необхідно здійснювати у ближній зоні випромінювання генератора.

Для корекції розбіжності поля випромінювання використовувались діелектричні лінзи. Розглянуто два варіанти узгодження: за допомогою зовнішньої системи діелектричних циліндричних і сферичних лінз та однієї апланатичної лінзи, розташованої безпосередньо у приладі. Зовнішня система лінз потребує спеціальних пристроїв для настроювання, а запропонований варіант розміщення лінзи у приладі забезпечує компактність конструкції без зміни якості узгодження.

Клінотрони з квазіоптичним розподіленим виводом енергії розроблені в усьому мм (8, 3, 2 мм) та субмм (0,95, 0,8 мм) діапазонах довжин хвиль. Вихідна потужність таких генераторів значно вища, ніж у клінотронів з хвилеводним виводом енергії, тому що розподілений вивід енергії значно зменшує збитки, пов'язані з затуханням у сповільнюючій системі, збудженням вищих типів коливань, а також при узгодженні з квазіоптичними лініями передачі.

На клінотронах, в яких використовувались властивості багатоступінчастих сповільнюючих систем, у короткохвильовій частині мм діапазону були одержані рівні потужності біля 5 Вт, у субмм діапазоні - 0.7 Вт, які значно перевищують рівні потужностей, що одержані на подібних приладах цього класу (лампи зворотної хвилі, карсинотрони та інші). Це свідчить про перспективність такого генератора. Окрім застосування клінотрона з квазіоптичним розподіленим виводом енергії у ролі джерела електромагнітних коливань, його можна використати як активну антену з електричним скануванням, що значно розширює область його використання.

Аналогів таких приладів в Україні та за її межами не існує.

ВИСНОВКИ

Основні результати, одержані в дисертації, та висновки, що сформульовані в закінченні, зводяться до наступного.

Застосування методів збудження хвиль хвилеводом та плоскою хвилею дозволило вперше достатньо повно описати характер електромагнітного поля у відкритих багатоступінчастих сповільнюючих системах гребінчастого типу довільної геометрії.

Теоретично та експериментально показано, що особливості формування полів у відкритих багатоступінчастих сповільнюючих системах та наявність у спектрі власних хвиль швидких просторових гармонік визначають фізику роботи клінотрона з квазіоптичним розподіленим виводом енергії і дозволяють виконати виведення енергії із генератора з мінімальними збитками.

Побудовані ефективні чисельні алгоритми, які дозволили провести аналіз електродинамічних характеристик систем різної конфігурації та моделювання геометрії простору взаємодії клінотронів з квазіоптичним розподіленим виводом енергії.

Розроблені нові та удосконалені існуючі експериментальні методи дослідження характеристик відкритих багатоступінчастих сповільнюючих систем; проведені експерименти, які підтверджують висновки теорії.

Розроблено генератор мм та субмм діапазонів довжин хвиль, який забезпечує високий рівень вихідної потужності та узгодження з квазіоптичними лініями передач; його можна використовувати також як активну антену з електричним скануванням.

ЦИТОВАНА ЛІТЕРАТУРА

1. Клинотрон / Левин Г.Я., Бородкин А.И., Кириченко А.Я. и др./ Под ред. А.Я. Усикова. - К.: Наукова думка, 1992. - 200 с.

2. Karjala D.S. and Mittra R. Radiation from a modulated corrugated surface exсited by a waveguide // Proc. IEE (London). -1966. - Vol.113. - P.1143-1150, October.

3. Дифракция волн на решетках / В.П. Шестопалов, Л.Н. Литвиненко, С. А. Масалов, В.Г. Сологуб/ Х.: Изд-во Харьк. ун-та, 1973. - 278с.

4. Вайнберг И.А., Вайнберг Э.И., Павельев В.А. Индикация структуры электромагнитного поля при помощи неравновесных носителей тока в полупроводниках // Радиотехника и электроника. -1971. -Т.16. - В.3. - С. 458-460.

5. А.с. N275182 СССР. Устройство для визуализации поля в СВЧ резонаторе /И.А. Вайнберг, Э.И. Вайнберг, В.А. Павельев(СССР). 1970. Бюл. №22.

Публікації автора за темою дисертації:

1. Бузик Л.М., Пишко О.Ф. Возбуждение открытой многоступенчатой замедляющей системы типа "гребенка" волноводом // Радиотехника и электроника. - 1996. - Т.41. - №4. - С. 1-8.

2. Пишко О.Ф. Дифракция волн на многоступенчатой отражательной решетке прямоугольного профиля // Распространение и дифракция радиоволн. - К.: Наукова думка, 1984. - С. 128-138.

3. Лысенко Е.Е., Пишко О.Ф., Чурилова С. А. Визуализация полей поверхностных волн замедляющих систем миллиметрового диапазона // Электронная техника, Серия 1, Электроника СВЧ. -1979. - В.2. - С. 98-101.

4. Бузик Л.М., Пишко О.Ф., Чурилова С.А., Шеремет О.И. Анализ дисперсионных характеристик открытых многоступенчатых замедляющих систем конечной ширины // Радиофизика и радиоастрономия. - 1998. - Т.3. -№1. - С. 99-104.

5. Пишко О.Ф., Чурилова С.А. Расчет дисперсионных характеристик открытых многоступенчатых гребенок. Х.: 1985. - 22с. (Препр. / ИРЭ АН УССР; №292).

6. Гурбич Н.Л., Лысенко Е.Е., Пишко О.Ф., Чурилова С. А. Исследование излучающих структур типа многоступенчатых гребенок // Труды Первой всесоюзной научно-технической конференции "Устройства и методы прикладной электродинамики". Москва: Изд-во МАИ. - 1988. - С. 97.

7. Buzik L.M., Pishko O.F., Churilova S.A. Application of the open multi-step slow-wave structures in millimeter and submillimeter wave oscillator // Conference Digest. International Conference on Millimeter and Submillimeter Waves and Applications, 10-14 January 1994, San-Diego, California. Proc. SPIE, V.2250, P.198-199. Pablished by SPIE. The International Society for Optical Engineering.

8. Buzik L.M., Pishko O.F., Churilova S.A. Directional patterns of waveguide exciting the open multi-step slow-wave system // Proc. of the Second International Conference on Antenna Theory and Techniques. -Kyiv (Ukraine). - 1997. - P.292-294.

АНОТАЦІЯ

Пішко О.Ф. Багатоступінчасті сповільнюючі системи та їх застосування в клінотронах міліметрових та субміліметрових хвиль. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.03 - радіофізика. - Інститут радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України, м. Харків, 1999.

В дисертації запропоновані теоретичні та експериментальні методи аналізу електродинамічних характеристик специфічного класу періодичних структур - відкритих багатоступінчастих сповільнюючих систем. Значну увагу приділено теоретичному обґрунтуванню особливостей формування полів в таких системах та експериментальному підтвердженню одержаних результатів.

Ці системи впроваджені в клінотронах з квазіоптичним розподіленим виводом енергії. Запропоновані та реалізовані чисельні алгоритми, які допомагають моделювати та оптимізувати простір взаємодії таких клінотронів.

Створені та досліджені генератори мм та субмм діапазону довжин хвиль - клінотрони з квазіоптичним розподіленим виводом енергії. Ці генератори мають рівень потужності, який значно перевищує рівні потужності, отримані на приладах подібного типу.

Вирішені питання узгодження випромінювання генератора з квазіоптичними лініями передачі, запропонована модифікація генератора з коригуючою випромінювання лінзою.

Ключові слова: багатоступінчаста сповільнююча система, клінотрон з квазіоптичним розподіленим виводом енергії, активна антена, дисперсійна характеристика.

АННОТАЦИЯ

Пишко О.Ф. Многоступенчатые замедляющие системы и их применение в клинотронах миллиметровых и субмиллиметровых волн. - Рукопис.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.03. - радиофизика. Институт радиофизики и электроники им. А.Я. Усикова НАН Украины, г. Харьков, 1999.

В диссертации предложены теоретические и экспериментальные методы анализа электродинамических характеристик специфического класса периодических структур - открытых многоступенчатых замедляющих систем, которые нашли применение в клинотронах с квазиоптическим распределенным выводом энергии. Значительное внимание уделено теоретическому обоснованию особенностей формирования полей в таких системах и экспериментальному подтверждению полученных результатов.

В диссертационной работе рассмотрено возбуждение основной волной плоского волновода открытой многоступенчатой гребенчатой замедляющей системы с тонкими ламелями, имеющей в периоде произвольное число канавок различной глубины. Этот метод позволил достаточно полно описать характер электромагнитного поля многоступенчатых замедляющих систем, имеющих одинаковую ширину канавок, в приближении бесконечно тонких ламелей. В случае изменения ширины канавок или толщины ламелей в периоде замедляющей системы применить этот метод не представляется возможным. Для описания особенностей формирования полей в таких многоступенчатых замедляющих системах использованы методы теории дифракции. На основе строгого решения задачи дифракции плоской Н-поляризованной электромагнитной волны на гребенках со сложной структурой периода проведено исследование влияния его конфигурации на дисперсию и распределение амплитуд пространственных гармоник.

Примененные методы дали возможность провести эффективный анализ рассеивающих и направляющих свойств многоступенчатых замедляющих систем, дать рекомендации по выбору геометрии замедляющей системы и режимов возбуждения. Предложенные и реализованные численные алгоритмы, позволили моделировать и оптимизировать пространство взаимодействия в клинотронах с квазиоптическим распределенным выводом энергии.

Для подтверждения основных теоретических выводов и получения более полной информации об особенностях формирования полей в открытых многоступенчатых замедляющих системах были проведены эксперименты при возбуждении систем различной геометрии волноводом ("холодные" измерения) и электронным пучком. Эксперименты проводились в мм и субмм диапазонах длин волн. В работе приводится методика и обсуждаются результаты экспериментальных исследований, а также проводится сравнение экспериментальных и теоретических данных. Описаны результаты по разработке и исследованию клинотронов с квазиоптическим распределенным выводом энергии и устройств для их согласования с квазиоптическими линиями передач.

Основные результаты, полученные в диссертации, сводятся к следующему:

- применение методов возбуждения волн волноводом и плоской волной позволило впервые достаточно полно описать характер электромагнитного поля в открытых многоступенчатых замедляющих системах гребенчатого типа произвольной геометрии;

- теоретически и экспериментально показано, что особенности формирования полей в открытых многоступенчатых замедляющих системах и наличие в спектре собственных волн быстрых пространственных гармоник определяют физику работы клинотрона с квазиоптическим распределенным выводом энергии и позволяют осуществить вывод энергии из генератора с минимальными потерями;

- построены эффективные численные алгоритмы, позволяющие провести анализ электродинамических характеристик систем различной конфигурации и моделирование геометрии пространства взаимодействия в клинотронах с квазиоптическим распределенным выводом энергии;

- разработаны новые и усовершенствованы существующие экспериментальные методы исследования характеристик открытых многоступенчатых замедляющих систем; проведены эксперименты, подтверждающие выводы теории;

- разработан генератор мм и субмм диапазонов длин волн, обеспечивающий высокий уровень выходной мощности, предложена модификация прибора с корректирующей излучение линзой, которая существенно упростила конструкцию перехода при согласовании с квазиоптическими линиями передач.

Ключевые слова: многоступенчатая замедляющая система, клинотрон с квазиоптическим распределенным выводом энергии, активная антенна, дисперсионная характеристика.

ABSTRACT

Pishko O.F. Multi-step slow-wave structures: Application to millimeter and submillimeter wave clynotrons. - Manuscript.

A dissertation in partial fulfillment of the requirements for the Candidate of Science degree in Physics and Mathematics (specialty code 01.04.03 - Radio Physics). - A. Usikov Institute of Radio Physics and Electronics, National Academy of Sciences of Ukraine, Kharkov, 1999.

The dissertation presents theoretical and experimental methods for analyzing electrodynamic properties of a special class of periodic structures, namely open multi-step slow-wave structures. Considerable attention is given to the theoretical foundations of field formation in the structures and experimental verification of the appropriate results.

The slow-wave structures considered have found application in clynotrons with a distributed quasioptical power output. The numerical algorithms that have been suggested and implemented enable modeling and optimization of the field-particle interaction space in such clynotrons.

Novel millimeter and submillimeter wave generators, namely clynotrons with a distributed quasioptical power output have been designed and analyzed. The devices are characterized by microwave powers greatly in excess of the levels typical of other similar generators.

The problems arising in matching the generator output with quasioptical transmission lines have been solved, and a modified generator, equipped with a correcting lens, has been proposed.

Key words: multi-step slow-wave structures; clynotrons with a distributed quasioptical power output; active antenna; dispersion law.

Размещено на Allbest.ru


Подобные документы

  • Перетворення енергії оптичного випромінювання в енергію будь-якого іншого вигляду (електричну, теплову) за допомогою приймачів: теплових та фотоелектричних. Схеми та режими роботи матеріалів фотодіодів інверсійного приймача: світлочутливість елементів.

    реферат [232,0 K], добавлен 04.12.2010

  • Особливості мережі зв’язку; проектування автоматизованої системи: вибір глобального показника якості, ефективності; визначення структури мережі і числових значень параметрів. Етапи проектування технічних систем, застосування математичних методів.

    реферат [58,6 K], добавлен 13.02.2011

  • Види теплообміну: теплопровідність, конвекція, випромінювання. Передача теплової енергії через плоскі й циліндричні стінки. Вільне і примусове повітряне і рідинне охолодження у радіоелектронному засобі. Джерела і приймачі завад, методи екранування полів.

    дипломная работа [2,4 M], добавлен 13.06.2010

  • Формування і передача по цифровій лінії зв’язку інформаційних сигналів. Використання радіолокаційних станцій. Середньоквадратична похибка стабілізації положення антенного блоку. Випромінювання магнітного та електричного поля. Параметри системи сканування.

    курсовая работа [477,5 K], добавлен 12.06.2011

  • Методи та засоби вимірювання характеристик фоточутливих елементів приймачів випромінювання, значення рівномірності яскравісного поля. Розробка дифузного випромінювача змінної яскравості; розрахунок системи параметрів виробу, визначення показників якості.

    дипломная работа [2,4 M], добавлен 15.03.2013

  • Обсяг та швидкість передачі інформації. Застосування волоконно-оптичних систем передачі, супутниковий зв'язок та радіорелейні лінії. Оптичний діапазон на шкалі електромагнітних хвиль. Параметри прикінцевої та проміжної апаратури лінійного тракту.

    реферат [69,7 K], добавлен 08.01.2011

  • Визначення переваг використання принципів частотного і часового поділу вхідного і вихідного сигналів, негативного зворотного зв'язку по випромінюванню і самонастроюванню для побудови модулятора на основі керованих джерел оптичного випромінювання.

    контрольная работа [159,2 K], добавлен 20.11.2010

  • Аналіз схеми з нульовим виводом трансформатора. Стадії побудови часових діаграм струмів і напруг обмотки трансформатора. Розрахунок типової потужності трансформатора ST, основні параметри випрямляча. Використання схеми з нульовим виводом трансформатора.

    контрольная работа [270,4 K], добавлен 27.03.2012

  • Огляд аналогічних схем та особливості проектування фільтрів. Фільтр Баттерворта, поняття смуги пропуску та затримки. Сфери застосування низькочастотних фільтрів. Опис методів за конструктивною специфікою та розрахунок проекту фільтру п’ятого порядку.

    курсовая работа [2,3 M], добавлен 13.01.2012

  • Характеристика та побудова математичної моделі системи автоматичного підстроювання частоти (АПЧ). Аналіз впливу характеристик фільтрів у системі АПЧ на часові залежності процесу встановлення частоти. Застосування системи АПЧ у слідкувальних фільтрах.

    курсовая работа [552,1 K], добавлен 12.08.2011

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.