Моделирование трансформации поверхностных волн электронного потока в объемные волны на металлодиэлектрических электродинамических структурах

Размещено на http://www.allbest.ru/

МОДЕЛИРОВАНИЕ ТРАНСФОРМАЦИИ ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОЛН ЭЛЕКТРОННОГО ПОТОКА В ОБЪЕМНЫЕ ВОЛНЫ НА МЕТАЛЛОДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ СТРУКТУРАХ

Г.С.Воробьев, доц.; О.С.Макеев, асп.;

К.А.Пушкарев, ст.научн.сотр.;

А.И.Цвык,* проф. (*ИРЭ НАН Украины)

ВВЕДЕНИЕ

В [1] проанализированы различные варианты реализации схем устройств электроники КВЧ с металлодиэлектрическими структурами (МДС) и сделан вывод о том, что одним из эффективных способов при реализации таких устройств является метод экспериментального моделирования, который достаточно оперативно позволяет изучить некоторые физические процессы возбуждения колебаний и прогнозировать возможные варианты оптимизации электродинамических систем таких приборов. Так, например, "холодное" (без электронного потока) моделирование процессов возбуждения излучения в открытом резонаторе путем трансформации волн диэлектрического волновода в объемные волны позволило оптимизировать электродинамическую систему приборов нового класса генераторов дифракционного излучения (ГДИ) [2-4]. Рассмотрение задач электроники в приближении заданного тока для различных комбинаций металлодиэлектрических структур типа диэлектрический слой-ленточная дифракционная решетка (ДР) с последующим "холодным" моделированием их [5-7] дало возможность обнаружить ряд оптимальных режимов возбуждения дифракционно-черенковского излучения (ДЧИ), что послужило основой для разработки новых схем резонансных приборов О-типа [8]. Моделирование физических процессов преобразования поверхностных волн диэлектрического волновода (ДВ) и электронного потока (ЭП) в объемные в открытом волноводе [9] позволяет сделать вывод о возможности усиления колебаний мм диапазона в такой системе.

1 МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

электроника частота сверхвысокий схема

Остановимся на основных положениях метода "холодного" моделирования. Монохроматический электронный поток моделируется планарным ДВ, расположенным вблизи ленточной ДР, нанесенной на поверхность диэлектрика. Теоретическое обоснование преобразования на дифракционной решетке электромагнитного поля ДВ в объемные волны дифракционного (ДИ) и черенковского (ЧИ) излучений проведено в работах [5-7]. Путем выбора параметров ДВ, решетки и диэлектрической среды всегда можно промоделировать различные случаи возбуждения излучений.

При теоретическом описании модели считаем, что вдоль планарного ДВ, расположенного в плоскости z=0 на расстоянии a от ДР, нанесенной на поверхность диэлектрической среды, с фазовой скоростью Vв в направлении оси Оy распространяется двухмерная поперечно - магнитная волна с компонентами поля ЕOx =0, НOy =0, НOz =0 [7].

Фазовая скорость Vв определяется диэлектрической проницаемостью материала волновода, его поперечными размерами, средой, в которой ДВ расположен. Поэтому удобно ввести понятие эффективной диэлектрической проницаемости волновода , определяемой как

Тогда . С учетом этого излучение в вакууме и в диэлектрике направлено под углами:

(1)

(2)

где n - номер гармоники; ?с - диэлектрическая проницаемость среды; ?=l/? (l - период ДР, ??- длина волны генерации). Условия излучения в диэлектрическую среду и в свободное пространство определяются неравенствами:

(3)

(4)

Формулы (1)-(4) аналогичны соотношениям для монохроматического ЭП [7], если предположить, что фазовая скорость волны ДВ идентична скорости электронов Vе (?e = Ve/с). Здесь, как и в случае с ЭП, возможны различные режимы трансформации волн ДВ, наиболее характерные из которых можно выделить с помощью диаграммы Бриллюэна (рис.1): 1- ЧИ; 2 - поверхностные волны; 3 - ДИ только в диэлектрическую среду; 4 - одновременно черенковское и дифракционное излучения; 5 - дифракционное излучение в диэлектрик (z>?a) и в свободное пространство (z<?a).

На рис.2 приведена обобщенная схема экспериментальной установки "холодного" моделирования процессов возбуждения ДЧИ. Высокочастотный сигнал от СВЧ-генератора 1, пройдя через развязывающий аттенюатор 2, волномер 3, измерительную линию 4, связанные волноведущей системой, возбуждает диэлектрический волновод 11. ДВ пропускается через канал в поглотителе 5 для снижения влияния рассеянного паразитного поля от согласующего устройства 7. Ось диэлектрического волновода прямоугольного сечения расположена вдоль оси Оy параллельно поверхностям элементов исследуемой электродинамической системы 8. В общем случае элементы системы представляют собой комбинацию диэлектрической среды (резонансной или нерезонансной), различного типа дифракционных решеток и отражающих зеркал. Изучаемое распределение интенсивности излучения в свободном пространстве фиксируется с помощью рупорной антенны 9, перемещающейся по окружности радиусом 500 мм в плоскости yОz, в которой лежат все изучаемые углы излучения ?n , ?n? . Сигнал от детектора поступает на вход регистрирующего устройства 10. Для изучения коэффициента прохождения сигнала оконечная нагрузка 6 заменяется дополнительной детекторной головкой и регистрирующим прибором.

Рисунок 2 - Схема экспериментальной установки для моделирования дифракционного и черенковского излучений

Данная установка и указанная выше методика позволяют промоделировать и изучить процессы возбуждения ДЧИ как на отдельных элементах МДС, так и на системах в целом.

2 РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ

Экспериментальное моделирование возбуждения ДЧИ проводилось на описанной выше (рис.2) установке. В качестве модели диэлектрической среды использовалась фторопластовая призма треугольного сечения (рис.3) 70 70 100 мм и толщиной 40 мм. На боковой стороне призмы 7040 мм расположена ленточная ДР с периодом l = 3 мм. Призма возбуждалась с помощью ДВ, запитываемого от стандартного генератора. Треугольное сечение призмы выбрано с точки зрения удобства вывода возбуждаемого излучения в свободное пространство и дальнейшего его изучения.

Рисунок 3- Моделирование возбуждения черенковского излучения

Выбор режимов моделирования определялся с помощью диаграммы Бриллюэна (рис.1). В ходе эксперимента измерения проводились в режиме трехлепестковой диаграммы (? = 0,72 , ?=0,81). В этом случае в диэлектрической среде одновременно возбуждается излучение в двух направлениях, соответствующих нулевой (?o? =38,30 ) и первой отрицательной (?-1? = 100,70 ) гармоникам. Диаграмма направленности излучения в диэлектрик, экранированный решеткой, представлена на рис.4. Углы излучения на диаграмме указаны по измерениям в свободном пространстве, поэтому отличаются от указанных выше, но находятся в хорошем совпадении с расчетными.

Рисунок 4 - Диаграммы направленности излучения в диэлектрик: расчетные значения углов излучения; 1-ЧИ, 2-ДИ(n=-1)

Рисунок 5 - Влияние коэффициента заполнения ДР на плотность энергии ЧИ:

??- - экспериментальные кривые;

----- - теоретические кривые;

1? u=0,5 ; 2? u=0 ; 3? u= 0,5

Для проверки влияния ленточной ДР на возбуждаемое излучение и оценки ее экранирующих свойств экспериментально определены зависимости отношения плотности энергии So? излучения, возбуждаемого в диэлектрике с решеткой (модель нулевой гармоники ДЧИ), к плотности энергии S? излучения, возбуждаемого в диэлектрике без ДР (модель ЧИ) в частотном диапазоне для различных коэффициентов заполнения решетки u = cos ?d/l (d - ширина ленты ДР). Основные экспериментальные данные представлены на рис.5. Теоретические кривые рассчитаны с помощью численного решения системы линейных алгебраических уравнений, полученной в результате решения задачи о возбуждении электромагнитных волн монохроматическим ЭП, движущимся вблизи диэлектрического полупространства, экранированного ДР [5]. Как следует из графиков, поведение экспериментальных и теорети-ческих кривых в исследуемом частотном интервале идентично, что свидетельствует о качественном соответствии результатов и достоверности построенной экспериментальной модели.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработана общая методика моделирования физических процессов в устройствах электроники КВЧ с МДС. Результаты моделирования на простейших МДС являются базовыми для дальнейших исследований и позволяют оценить степень вклада вводимых в систему дополнительных элементов. Дальнейшие исследования выделенного класса приборов должны двигаться по пути моделирования более сложных МДС, изучения ЭП как источника поверхностной волны и проверки результатов моделирования на "горячей" системе.

SUMMARY

Using the structures of the triangle dielectric prism -band grating type the processes when transformating the surface waves into the volumetrical ones are simulated in practice. The practical results are compared with the results of the numerical analysis for the such system. On the basis of the comparison it may be concluded that there is possibility to realization in the concrete modern devices schemes with the metal- dielectric structures for the extremely super high frequencies.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Воробьев Г.С., Макеев О.С., Пушкарев К.А., Цвык А.И. Применение металлодиэлектрических периодических структур в электронике КВЧ // Вестник СумГУ. - 1996 . -N1(5). - С.17-22.

2. Шестопалов В.П. Дифракционная электроника.- Харьков:Изд-во Харьк. ун-та, 1976.- 232с.

3. Буданов В.Е., Суслов Н.Н., Шестопалов В.П. Экспериментальное исследование на "холодной" модели излучения из открытого резонатора генератора дифракционного излучения //Докл. АН УССР. Сер.А. - 1976.- N8.- С.675 - 679.

4. Шестопалов В.П. Физические основы миллиметровой и субмиллиметровой техники.- Киев: Наук. думка, 1985. - Т.2. - 256с.

5.. Николаенко Л.И., Цвык А.И. Влияние диэлектрического слоя на возбуждаемое излучение в периодической структуре с потерями // Радиотехника. - 1971.- Вып.19. - С.101 - 107.

6. Кириченко А.Я., Цвык А.И. Трансформация волн диэлектрического волновода в объемные волны // Изв. вузов. Радиофизика. - 1986. - 29, N1. - С.128.

7. Генераторы дифракционного излучения / Под ред. Шестопалова В.П.- АН УССР. Ин - т радиофизики и электроники. - Киев: Наук. думка, 1991. - 320с.

8. Воробьев Г.С., Нестеренко А.В., Пушкарев К.А., Цвык А.И. Исследование возможности повышения эффективности взаимодействия электронов с СВЧ полями в резонансных приборах О - типа // Современные проблемы прикладной физики: Сборник научных трудов / Под ред. проф. В.В.Кулиша. - К.: НМК ВО, 1992. - С.101 - 117.

9. Вертий А.А., Воробьев Г.С., Иванченко И.В. и др. Экспериментальное исследование преобразования поверхностных волн в объемные в открытом волноводе // Изв. вузов. Радиофизика. - 1988. - 31, N6. - С.1242 - 1254.

Размещено на Allbest.ru