Колебания электромагнитного поля в волноводных структурах с диэлектрическими и плазменно-диэлектрическими элементами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ ІНСТИТУТ РАДІОФІЗИКИ ТА ЕЛЕКТРОНІКИ ІМ. О.Я. УСИКОВА

Білоус Раїса Іванівна

"-'<7 ■■

УДК 621.372:537.86

КОЛИВАННЯ ЕЛЕКТРОМАГНІТНОГО ПОЛЯ В ХВИЛЕВОДІШХ СТРУКТУРАХ З ДІЕЛЕКТРИЧНИМИ ТА ПЛАЗМОВО-ДІЕЛЕКТРИЧНИМИ ЕЛЕМЕНТАМИ

01.04.03 - радіофізика

АВТОРЕФЕРАТ дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

Харків - 1998

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова -Національної-Академії І Іаук-У країни.------------------------------------

Науковий керівник - кандидат фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Моторненко Олександр Петрович. ІРЕ

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, професор Просвірнін Сергій Леонідович. РІ НАН України, завідуючий відділом;

доктор фізико-математичних наук, професор Цвик Олексій Іванович. ІРЕ НАН України, провідний науковий співробітник.

Провідна установа

Харківський державний університет, кафедра напівпровідникової та вакуумної електроніки, Міністерство освіти, м. Харків

спеціалізованої вченої ради Д64.157.01 в Інституті радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України (310085, м. Харків, вул. Ак. Проскури, 12, конференцзал).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України за адресою м. Харків, вул. Академіка Проскури, 12.

Автореферат розісланий "С$іТН<5ІЛ99і р.

НАН України, старшин науковий співробітник-

Захист відбудеться

О ІО годині на засіданні

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради доктор фіз.-мат. наук

Харківський С.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОКОТИ

Актуальність теми. Останнім часом велика увага приділяється теоретичним і експериментальним дослідженням коливальних і хвильових процесів, що відбуваються в хвилеводних структурах з різноманітними неоднорідностями. Результати цих досліджень закладають фізичну основу для побудови нових вузлів і пристроїв НВЧ техніки, а також нових принципів діагностики середовищ, шо заповнюють хвилевід. Атенюатори, фазообертачі, НВЧ фільтри, напівпровідникові генератори і перетворювачі частоти, неруйнівні радіофізичні методи вимірювання параметрів діелектриків або феритів, вимірювання параметрів плазми тю характеристиках електромагнітної хвилі -приклади пасивних і активних НВЧ вузлів та технологічних рішень, виконаних з використанням тих чи інших електродинамічних властивостей таких структур.

Проблема створення сучасних радіотехнічних систем широкого призначення висуває нові вимоги до елементної бази: підвищена надійність роботи, малі габарити і вага, низька вартість, електричне керування і т.п. В ряді випадків вимагається розширення функціональних можливостей існуючих пристроїв чи створення приладів на нових фізичних принципах. В зв’язку з цим вивчення процесів, що проходять в електродинамічних структурах хвилеводного типу, частково запевнених діелектриком, феритом, плазмою газового розряду або іншим середовищем, є актуальною проблемою сучасної радіофізики. Кожен з перелічених матеріалів має свої специфічні властивості: діелектрики охоплюють широкий діапазон значень діелектричної проникності від одиниць до сотень одиниць і мають низькі втрати енергії, що стимулює використання їх при побудові резонансних пристроїв з широкою смугою перестросння частоти і високою добротністю. Феритові та напівпровідникові елементи, а також плазма розряду приваблюють увагу дослідників, насамперед, завдяки можливості створення електрично керованих вузлів і приладів НВЧ, крім того за допомогою плазми НВЧ газового розряду з високою концентрацією заряджених часток можна суттєво впливати на фазову швидкість хвилі за рахунок негативних значень її діелектричної проникності. Разом з тим, складність і різноманітність фізичних процесів, що відбуваються в хвилеводних структурах, частково

заповнених переліченими матеріалами, є причиною того, що вони недостатньо вивчені.

Теоретичне дослідження електродинамічних структур хвилеводного типу з

дифракції електромагнітної хвилі на розсіюючому об’єкті в хвилеводі. Особливе значення при цьому мають резонансні ефекти, в зв’язку з чим, в ряді випадків, можна вирішувати більш просту задачу знаходження власних електромагнітних • коливань в такій структурі і вивчзтн-їх-резонаіісні-властниостк Експериментальне -вивчення процесів, що відбуваються при розповсюдженні електромагнітної хвилі в хвилеводах, що містять шаровиті діелектричні або плазмово-діелектричні середовища, вимагає урахування специфіки кожного об’єкту дослідження і вибору необхідного діапазону частот.

Ця дисертаційна робота присвячена дослідженню особливостей коливань електромагнітного поля в хвилеводних структурах з шаровитим діелектричним (магнітодіелектричним) елементом (розділ 1), а також плазмою газового розряду в діелектричних трубках різноманітних геометричних розмірів (розділи 2,3). В розділі 4 викладені результати досліджень, що показують можливість практичного використання виявлених закономірностей.

Зв’язок робочі з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась в відповідності з планами науково-дослідних робіт Інституту радіофізики та електроніки НАН України в межах фундаментальних НДР "Дослідження електромагнітних і електроакустичних властивостей твердих тіл в НВЧ діапазоні" (№ держресстраціїї 01.920.000603), "Електромагнітні і акустичні явища в твердотільних структурах" (№ держреєстраціїї 01.96.И006109). Результати роботи ввійшли до відповідних науково-технічних звітів.

Мета і задачі дослідження.

Метою дисертаційної робота є:

— визначення спектрів власних коливань в електродинамічних структурах хвилеводного типу, що містять діелектричні (магнітодіелектричні) елементи і власних добротностей резонаторів, побудованих на їх основі. Проведення експериментальних досліджень резонансних властивостей таких структур в

з

короткохвильовій частині сантиметрового діапазону довжин хвиль.

-— з’ясування особливостей розповсюдження іонізуючої електромагнітної хвилі в хвилеводі з плазмою газового розряду в діелектричних трубках різних геометричних розмірів. Проведення експериментальних досліджень по виявленню взаємозалежності характеристик хвилі та параметрів плазми в сантиметровому і міліметровому діапазонах довжин хвиль.

— формування практичних рекомендацій по використанню одержаних закономірностей при створенні нових вузлів і приладів НВЧ діапазону, а також в технологічних процесах.

Наукова новизна роботи полягає в дослідженні фундаментальних закономірностей взаємодії електромагнітного поля з діелектричними (магнітодіелектричними) і плазмово-діелектричними елементами в хвилеводі і визначається наступними результатами:

1. Одержані вирази для визначення повного спектру частот власних коливань в хвилеводній структурі з двошаровим діелектричним (магнітодіелектричним) елементом. Досліджений вплив геометричних розмірів елементів структури і електричних параметрів двошарових діелектричних елементів на спектр власних частот хвплеводно-діелектричного резонатора.

2. В однохвильовому наближенні одержані аналітичні вирази для резонансних частот в досліджених структурах і виконаний чисельний розрахунок для найбільш низькочастотних типів коливань, що частіше всього застосовуються на практиці. Розглянутий варіант плазмово-діелектричного елемента в хвилеводі.

3. В сантиметровому і міліметровому діапазонах довжин хвиль вимірені енергетичні і фазові характеристики електромагнітної хвилі, що розповсюджується в прямокутному хвилеводі з плазмою газового розраду в діелектричних трубках з різною товщиною діелектричної оболонки, оцінено параметри плазми. Вивчений взаємовплив характеристик іонізуючої хвилі і параметрів плазми.

4. З’ясовані особливості поведінки характеристик іонізуючої електромагнітної хвилі в прямокутному хвилеводі з плазмою газового розряду в діелектричній циліндричній трубці протяжних розмірів. Виявлено існування двох форм

плазми НВЧ розряду в хвилеводі, яке обумовлює гістерезисний хід залежностей фази хвилі, потужності хвилі, що пройшла плазму, і частини потужності хвилі, що поглинулася нею, а також довжини плазмового ----утвереннянзід-падаючоінюїужное-тніа^гиску-газу^----------------------------

Одержані результати поглиблюють наші уявлення про механізм взаємодії електромагнітного поля в хвилеводі з діелектричними і плазмово-діелектричними середовищами, визначають можливості застосування виявлених особливостей при -створенні вузлів і- присгроїв-НВЧ-діапазону:----------------------------------

Достовірність і обгрунтованість одержаних в дисертації результатів обумовлюються: в теоретичній частині - використанням математично

обгрунтованих методів і відповідністю розрахункових і дослідних фактів, в експериментальній частині - адекватністю експериментальних методик явищам, що вивчаються, і відтворенням одержаних результатів.

Практичне значення роботи полягає в розвитку радіофізичного методу визначення параметрів діелектриків або плазми НВЧ розряду та в створенні твердотільїшх генераторів з резонатором на позамежному хвилеводі з діелектричним елементом, а також дискретних фазообертачів сантиметрового і міліметрового діапазонів на основі плазми газового розряду в діелектричних трубках.

Особистий внесок автора. Результати, викладені в дисертації, одержані як особисто автором, так і при його безпосередній участі. В роботах [1-5, 12, 13, 16] автором виконаний весь об’єм розрахунків, в [2, 6-11, 13-15, 17-18] одержана основна частина експериментальних результатів. В усіх перелічених публікаціях автор приймав участь в проведенні аналітичного аналізу і створенні програм для ПЕОМ, в обговоренні одержаних результатів і висновків, а також в написанні текстів статей.

Апробація результатів диссертації. Результати, викладені в дисертаційній роботі, доповідались і обговорювались на наукових семінарах "Фізика твердого тіла", "Радіофізика та електроніка міліметрових і субміліметрових хвиль" Інституту радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України, VII Всесоюзній конференції з фізики низькотемпературної плазми (Ташкент, 1987); Міжнародній науково-технічній конференції "Складні антенні системи та їх

компоненти. Теорія, застосування, експериментаїьні дослідження" (Ленінград, 1991); 1-му Українському симпозиумі "Фізика і техніка мм і субмм радіохвиль" (Харків, 1991); науково-технічній конференції "Перспективи розвитку антенно-фідерної техніки та її елементної бази" (Суздаль, 1992); IV Міждержавному семінарі "Плазмова електроніка і плазмові методи прискорення заряджених часток" (Харків, 1993); International workshops "Microwave plasma and its applications" (Zvenigorod, 1994); International Symposium "Physics and Engineering of Millimeter and Sybmillimeter Waves" (Kharkov, 1994); науково-технічній конференції "Техніка і фізика електронних систем та пристроїв" (Суми, 1995); Fourth International Conference on Millimeter Wave and Far Infrared Technology (China, Beijing, 1996); International Conference on Millimeter and Sybmillimeter Waves and AppIications.III.(USA, Denver, 1996); міжнародній конференції "Проблеми та прикладні питання фізики" (Саранськ, 1997); Second International Conference on Antenna Theory and Techniques (Kyev, 1997.) and 22-nd International Conference on Infrared and Millimeter Waves (USA, Virginia, 1997).

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані в 27 роботах, 12 з яких є статті в наукових журналах.

Структура дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів і закінчення. Вона містить 125 сторінок основлого тексту, 51 сторінку малюнків та список цитованої літератури із 131 найменування на 17 сторінках.

КОРОТКИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обірунтована актуальність проблеми в області досліджень, безпосередньо пов’язаних з дисертацією, сформульована мета роботи, наукова новизна та практична цінність одержаних результатів. Там же приведені відомості, пов’язані з апробацією роботи.

Перший розділ роботи присвячений електродинамічному розрахунку та експериментальним дослідженням резонансних характеристик структури на основі круглого позамежного хвилевода з діелектричним (магнітодіелектричним) двошаровим заповненням. Проведений огляд основних публікацій з вивчення діелектричних, хвилеводно-діелектричних резонаторів та методів їх теоретичного

і експериментального дослідження. Показано, що функціональні можливості хвнлеводно-діелектричних резонаторів можна розширити, якщо діелектричний елемент вибрати у вигляді двох (один всередині другого) аксіально-симетричних шарів. Задача з-визначеиня резонаііеніві—таетотЧ-доброт{гоеті-^гакнх-е-труктур-вирішувалась методом часткових областей. Електромагнітне поле в кожній з областей представлялось з допомогою електричного і магнітного векторів Герца, що задовольняють однорідним рівнянням Гельмгольца. Виконання граничних умов приводило до системи функціональних рівнянк; яка вирішувалась з-дономогою проекційної методики. Проекційним базисом виступали власні векторні функції пустого хвилевода, що задовольняють умові ортогональності.

В результаті виходили дві системи лінійних алгебраїчних рівнянь відносно невідомих коефіцієнтів електричного і магнітного полів. Розв’язок цих систем знаходився з умови рівності нулю їх детермінантів. Показано, що цим розв’язкам відповідають несиметричні гібридні ИЕтп(,- та ЕНт„р- коливання. При азимутальному індексі, рівному нулю, вихідні рівняння розпадаються на два незалежних, що описують симетричні коливання Но„р- та £о/уі-типу.

В однохвильовому наближенні для знаходження резонансних частот власних коливань і добротності структури рівняння були представлені в аналітичному вигляді. Чисельний розрахунок був виконаний для резонансних характеристик трьох найбільш низькочастотних коливань НЕ\\і, £оп, #оіь важливих для практичного застосувань. Проведені серії розрахунків для різних значень діелектричних проникностей шарів і геометричних розмірів структури. Розглянутий випадок, коли внутрішнім шаром була вибрана плазма.

Експериментальне дослідження резонансних частот проводилось з допомогою панорамного вимірювача КСХН для коливань НЕщ і £оп при використанні діелектричних елементів у вигляді стержнів або втулок із фторопласту (г=2.07) і плавленого кварцу (£=3.б). Одержаний достатньо добрий збіг розрахункових і виміряних значень резонансної частоти, відмінність не перевищувала 1-3%.

Одержані вирази для часткових і власних добротностей двошарового хвилсводно-діелектричного резонатора. Чисельно розраховані добротності для Нці-типу коливань в структурі з однорідним діелектричним елементом, що

повністю заповнює поперечний переріз хвилсвола, і короткоззмикаючіш поршнем. Такі структури становлять практичну цінність при побудові твердотільних генераторів.

Розглянута структура з феритовим елементом і короткозамикаючими поршнями, розміщеними на довільній відстані від фериту. Такий резонатор представляє інтерес у зв'язку з розробкою електрично пєрестроюваних фільтрів, генераторів, модуляторів і т.п. Для випадку малих магнітних полів одержані аналітичні вирази, що визначають частоти хвилеводно-феритового резонатора для НЕ„„Р- і ЕНт„р- гібридних типіз коливань. Чисельний розрахунок був виконаний для Я£ш- і ІЕЛоп-типів при умові відсутності короткозамнкаючих поршнів. Експериментальні значення резонансної довжини хвилі для феритового зразка 10СЧ6Б на коливанні ЕНоі і відрізнялись від розрахованих не більш ніж на 5%.

Другий і третій розділи присвячені дослідженню енергетичних і фазових характеристик електромагнітних хвиль в хвилеводних структурах, які містять мало вивчене і найбільш складне середовище, частково заповнююче хвилевід, яким є плазма газового розряду в діелектричній трубні. Розрахунок характеристик хвилі в прямокутному хвилеводі, що містить осесиметричні діелектричні і плазмові шари, пов’язаний з певними труднощами, обумовленими як тим, що плазма - це середовище з сильно вираженими дисперсійними властивостями і нелінійними параметрами, так і тим, що поверхні металічного хвилевода і діелектричної грубки з плазмою співпадають з різними системами координат: прямокутною і циліндричною. В відомих роботах при вирішенні подібпих задач використовуються або спрощені фізичні моделі, для яких відомі строгі розв’язки, або наближені методи. Труднощі експериментального вивчення характеристик іонізуючої хвилі і параметрів плазми НВЧ розряду пов’язані з малими геометричними розмірами газорозрядних трубок, в яких створюється плазма, а також зі складністю використання в вибраних умовах як контактних, так і спектральних методів діагностики плазми.

В другому розділі після короткого аналізу існуючих літературних даних були проведені розрахунки характеристик хвилі, що розповсюджувалась в прямокутному хвилеводі з плазмою в циліндричній трубці двома методами. Суть першого відомого методу, методу' квазістагичного наближення, основана на

розрахунку зміни фазової сталої і сталої затухання НВЧ хвилі в прямокутному хвилеводі з плазмою в трубці із діелектрика. Припускалось, що трубка з плазмою займала малу частину об’єму і слабо збуджувала поле основної хвилі, тобто

никонувадась~ нергвигеть—г2-/Я «1де—^г----------зовнішній—радіус- діелектравдгш—

трубки, а Я- довжина хвилі в вільному просторі. Перевагою методу квазістатичного наближення є можливість його застосування для випадку плазми як з позитивними, так і з від’ємними проникностями при наявності втрат при зіткненнях. Недоліком цього методу є неможливість його застосування дш плазми в розрядних трубках великого діаметра, що суттєво обмежує його застосування в міліметровому діапазоні довжин хвиль.

Відповідно до поставленої задачі був розвинений відомий з літератури метод, оснований на використанні строгих математичних розрахунків, який дозволяє досліджувати дану структуру при будь-яких геометричних розмірах плазми і діелектрика. Структура моделювалась нескінченною періодичною граткою. Розміри елементів гратки (комірок Флоке) адекватні частково заповненому двошаровим плазмово-діелектричним елементом прямокутному хвилеводупри забезпеченні умови електричних і магнітних стінок для хвилі па границях комірок Флоке. Задача вирішувалась методом часткових областей. Із дисперсійного рівняння визначались характеристики хвилі. Були розраховані залежності зміни фазової сталої від співвідношення радіусів трубки, одержані двома методами для трубок різних зовнішніх радіусів без плазми і заповнених плазмою з різною діелектричною проникністю. При великих діаметрах трубок одержані якісно і кількісно відмінні результати розрахунків. За допомогою другого методу було одержано оптимальне співвідношення радіусів г|/г2~0.5, при якому сповільнення хвилі плазмою максимальне.

Відповідно . до цих результатів були проведені експериментальні дослідження характеристик іонізуючої хвилі, що розповсюджується в хвилеводі з плазмою з ссО в трубках з різним співвідношенням радіусів, які описані в третьому розділі. Зазначимо, що раніше товщина діелектричної оболонки, як правило, не враховувалась. Блок-схема для виміру енергетичних і фазових характеристик містила основний хвилсводниіі тракт з розрядною секцією і два вимірювальних плеча: один для сигналу, що пройшов розрядну секцію, другий -

для відбитого сигналу. Коефіцієнти відбиття і проходження вимірювались з допомогою поляризаційних атенюаторів методом заміщення, а по ним розраховувалась частина потужності, що поглинулась НВЧ плазмою. Зсув фази хвилі визначався по зміщенню вузла стоячої хвилі, що утворювалась реперним сигналом і сигналом, який пройшов розрядну секцію. Плазма НВЧ розряду збуджувалась в розрядній секції частиною потужності джерела, шо надходила від магнетронного генератора безперервної дії. В ролі газонаповшовача використовувався аргон особливої чистоти, який подавався в газорозрядну трубку через вакуумну систему. Для візуального спостереження за свіченням плазми в широкій стінці хвилевода вздовж газорозрядної трубки була прорізана вузька щілина.

Спершу досліджувались трубки довжиною 23 мм, що відповідає половині довжини хвилі в пустому хвилеводі, з однаковим зовнішнім радіусом, але з різними внутрішніми, зі співвідношенням МІЖ НИМИ гі/г2=0.5 І п/Г2=0.9. Виявилось, що в першій трубці з оптимальною товщиною оболонки приведений зсув фази хвилі більший, ніж у другій, що узгоджується з розрахунком. Коефіцієнт поглинення НВЧ потужності в ній також був вищий, незважаючи на те, що об’єм плазми в ній в 2.5 рази менший, а це можливо в разі припущення, що утворена НВЧ хвилею плазма розряду мала більшу концентрацію електронів. Цей висновок був підтверджений розрахунками концентрацій електронів в плазмі і виміром інтенсивності інтегрального свічення плазми.

В подальшому досліджувались три трубки з однаковим радіусом плазмового утворення, але з різною товщиною оболонки трубок, одна з яких мала оптимальне співвідношення п/Г2. Показано, що з ростом товщини стінки діелектричної трубки до оптимальної спостерігалось збільшення поглинутої потужності і зсуву фази хвилі, причому фазовий зсув був тим більший, чим менший тиск аргону.

Вперше аналогічні дослідження були проведені в 8-мм діапазоні довжин хвиль. При всіх умовах досліджень плазма розряду мала концентрацію заряджених часток вищу критичної для збуджуючої частоти і в цих експериментах також було показано, що максимальні фазові зсуви хвилі плазмою НВЧ розряду досягаються в трубках з оптимальною товщиною діелектричної оболонки. Було вияснено, що характерні значення зсуву фази хвилі в 3-см

діапазоні становили 5 град/см3, а в 8-мм діапазоні - 7 град/см3 при повному заповненні трубок плазмою.

Були проведені також систематичні дослідження в хвилеводі з плазмою прт-яишну розмірів, коли на повжині трубки вкладалось декілька довжин хвиль, наприклад, чотири (довжина трубки дорівнювала 197 мм) з гі/гг=0.5. Вимірювались характеристики хвиль як в залежності від падаючої потужності, так і в залежності від манометричного тиску аргону при постійній підведеній

[|Ату-і.м?г>п-п Чкпігп ГТПИ-ЖТТНИ гтпл'чмотчпт утворення була ЛІНІЙНОЮ ПРИ ЗМІНІ

потужності в прямому і зворотньому напрямках і мала стрибкоподібний характер. Оскільки хвилєвідпий тракт закінчувався узгодженим навантаженням, а КСХН в тракті становив 1.02-1.2, свічення плазми розряду було рівномірним. При певних умовах і зменшенні потужності, однак, було виявлено різку зміну характеру свічення від безперервного на свічення в вигляді періодично розташованих плазмоїдів, відстань між якими складала ~3 мм. В такій формі плазма існувала при зменшенні потужності або тиску до її погасання. Зміни зсуву фази хвилі, поглинутої та тієї, що пройшла, потужностей, а також довжини плазмового утворення мали гістерезисний вигляд в залежності від тиску газу та НВЧ потужності, пов’язаний з переходом із однієї форми плазми розряду в іншу. Дві форми плазми розряду обумовлені впливом поверхневої електромагнітної хвилі, для розповсюдження якої з малою фазовою швидкістю створюються умови при від’ємних значеннях діелектричної проникності плазми і низьких частотах зіткнень поблизу плазмового резонансу. Були знайдені умови максимального поглинання НВЧ потужності в плазмі розряду (80-95%) в широкому діапазоні тиску газу, а також умови максимальної передачі потужності через плазмово-діелектричний елемент в навантаження (60-80%).

В четвсртоіиу разділі розглянуті можливості практичного використання виявлених закономірностей. По експериментальним характеристикам електромагнітної хвилі були оцінені параметри плазми з допомогою методу квазістатичного наближення. Крім цього параметри плазми розраховувались з урахуванням кінетичних процесів за допомогою розв’язку рівнянь балансу іонізації і балансу енергії. Проведено порівняння одержаних значень концентрації електронів двома методами, розбіжність для вибраних умов склала 5%. Плазма

НВЧ розряду в сантиметровому і в міліметровому діапазонах мала концентрацію заряджених часток вищу критичної відповідно до своєї частоти.

З використанням резонансних властивостей двошарової структури хвилеводно-діелектричного резонатора запропонована методика визначення діелектричної проникності матеріалів, яка розширює клас вимірюваних матеріалів, а також різноманітність геометричних розмірів та форм зразка. Похибка визначення є склала 1%. Показана прниципіальна можливість визначення цим методом діелектричної проникності плазми з малими втратами. Крім цього на основі хвилеводно-діелектричного резонатора був сконструйований твердотільний генератор і визначені його основні параметри, зокрема, він мав широку смугу механічної перестройки частоти.

Запропонована конструкція плазмового дискретного фазорегулюючого елемента на високі рівні потужпості в 3-см і 8-мм діапазонах хвиль і визначені його основні електричні параметри.

В закінченні сформульовані результати дисертації.

ВИСНОВКИ

1. На основі методу часткових областей одержані вирази, що описують повний спектр власних електромагнітних коливань в резонаторі на круглому позамежному хвилеводі з двошаровим діелектричним (магнітодіелектричним) заповненням. Вияснені резонансні залежності в двошаровому хвилеяодно-діелектричному резонаторі від фізичних параметрів матеріалу заповнення і геометричних розмірів структури для найбільш важливих в практи'шому відношенні низькочастотних типів коливань (йїц|, £011, #оц). З’ясована закономірність зміни резонансних довжин хвиль від коефіцієнта заповнення поперечного перерізу хвилеводної структури діелектричним елементом для цих типів коливань. Одержані характеристики двошарового хвилеводно-діелектричного резонатора, внутрішній шар якого заповнений плазмою.

2. Досліджена поведінка характеристик іонізуючої електромагнітної хвилі сантиметрового діапазону, що розповсюджується в прямокутному хвилеводі, частково заповненому плазмою розряду в циліндричних діелектричних

трубках різних геометричних розмірів. Установлені закономірності змін енергетичних і фазових характеристик хвилі від тиску газу і рівня НВЧ потужності, а також від товщини діелектричної оболонки газорозрядної

потужності в плазмі розряду і умови максимальної передачі потужності в навантаження через плазмово-діелектричний елемент при наявності суттєвого впливу плазми на характеристики хвилі.

Зт- В-іонізуючих-елекіромагнтщх-подях-в- хвилеводі виявлені і дпг.їїіджрні л,ш форми існування плазми НВЧ розряду протяжних розмірів. Перехід плазми розряду з одній форми в іншу проходить стрибком при певних значеннях тиску газу і рівня надаючої НВЧ потужності і супроводжується порушенням однорідності свічення з утворенням плазмоїдів зі 100% модуляцією світіння плазми. Показано, що зворотний перехід в першу форму плазми розряду супроводжується гістерезисними змінами енергетичних і фазових характеристик електромагнітної хвилі, а також довжини плазмового утворення.

4. Вперше в міліметровому діапазоні довжин хвиль експериментально вивчені характеристики іонізуючої електромагнітної хвилі, що розповсюджується в хвилеводі з плазмою в трубках із діелектрика з різною товщиною діелектричної оболонки. Показано, що в усіх досліджених умовах хвиля сповільнюється внаслідок високої концентрації електронів, що перевищує критичну для даної частоти, а також вплив товщини діелектричної оболонки на характ еристики хвилі.

5. Запропонована методика визначення електричних параметрів діелектриків на основі резонансних властивостей хвилеводно-діелектричного резонатора з двошаровим заповненням, що розширює клас вимірюваних матеріалів, а також діапазон геометричних розмірів і форм зразка. Сконструйовані і досліджені твердотільний НВЧ генератор на хвилеводно-діелектричиому резонаторі та плазмові фазозсувні елементи дискретної дії в 3-см і 8-мм діапазонах довжин хвиль на високі рівні НВЧ потужності.

Основні публікації за темою дисертації приведено нижче (повний список

публікацій міститься в дисертаційній роботі).

1. Белоус Р.И., Макеев Ю.Г., Моторненко А.П. Аксиально-симметричные колебания в ВДР с двухслойным магнитодиэлектриком //ИВУЗ Радиоэлектроника. -1997. -Т.40. -№2. -С. 13-18.

2. Belous R.I., BelousO.L, Makeev Yu.G., Motomenko A.P. Eigen electromagnetic oscillations in the waveguide-dielectric resonator with two-layer filling //The International Journal of Infrared and Millimeter Waves. -1997. -V.18. -№10. -P. 69-78.

3. Белоус P.M., Макеев Ю.Г., Моторненко А.П. Спектр собственных электромагнитных колебаний волноводно-ферритового резонатора //Радиофизика и электроника. Сб. науч. тр. Харьков. -1997. -№ -С. 35-38.

4. Бслоус Р.И., Макеев Ю.Г., Моторненко А.П. Собственные колебания и добротности ВДР с КЗ поршнем //Вісник Сумського державного університету-1997. №1(7). -С. 65-69.

5. Белоус Р.И., Друкаренко С.П., Моторненко А.П. Расчет характеристик электромагнитной волны в волноводе с плазмой //Радиотехника и электроника. -1996. -Т.41. -№11. -С. 1344-1347.

6. Белоус Р.И., Моторненко А.П. Особенности распространения электромагнитной волны в волноводе с плазмой газового разряда в диэлектрической трубке //Радиофизика и электроника. Сб. науч. тр. Харьков. -1996. №1. -С.76-80.

7. Белоус Р.И., Макеев Ю.Г., Моторненко А.П. Полупроводниковый генератор 3см диапазона //Вісник Сумського державного університету. -1996. -№2(6). -С.32-35.

8. Белоус Р.И., Моторненко А.П. Распространение ионизирующей электромагнитной волны в волноводе с плазмой //Распространение радиоволн в мм и субмм диапазонах. Сб. науч. тр. Харьков. -1995. -С. 132-140.

9. Белоус Р.И., Моторненко А.П. Энергетические и фазовые характеристики электромагнитной волны в волноводе с плазмой //Распространение радиоволн в мм и субмм диапазонах. Сб. науч. тр. Харьков. -1995. -С. 141-147.

10. Белоус Р.И., Моторненко А.П. Плазменный фазовращатель СВЧ диапазона //Применение радиоволн мм и субмм диапазонов. Сб. науч. тр. Харьков. -1994. -С. 99-107.

11. Белоус Р.И., Кулик В.В., Моторненко А.П. О двух формах существования СВЧ плазмы протяженных размеров //Источники и ускорители плазмы. Межвуз. темаг. сб. науч. тр. Харьков, ХАИ. -1988. -С. 120-125.

12. Белоус Р.И., Моторненко А.П. О распространении поверхностной

____тпг.ктромагнитной яппны на границе полупроводниковой и газоразрядной

плазмы //Источники и ускорители плазмы. Межвуз. темат. сб. науч. тр. Харьков, ХАИ. - 1986. -С. 62-68.

13. Belous R.I., Makeev Yu.G., Motomenko A.P. Parameters determination of dielectric materials at the resonances hybrid microwave oscillations in the waveguide-dielectric resonator //Proc.of the Second Intern. Conf. on Antenna Theory and Techniques. Kyev. -1997. -P. 323-325.

14. Belous R.I., Motomenko A.P. Investigation of electromagnetic wave characteristics and parameters of microwave plasma in waveguide //Proc. Intern. Workshops “Microwave interactions in nature. Zvenigorod. -1994. -P. 20.

15. Белоус Р.И., Друкаренко С.П., Моторненко А.П. Дискретный фазовращатель миллиметрового диапазона //Тез. докл. Международного симпозиума “Физика и техника миллиметровых и еубмиллиметровых волн”. Харьков. -1994. -С. 469-471.

16. Belous R.I., Drucarenko S.P., Motomenko A.P. Inherent waves of multilayer plasma waveduides //Proc.Intem.Workshops ’’Microwave interaction in nature”. Zvenigorod.-1994.-P. 19.

17. Белоус Р.И., Друкаренко С.П., Моторненко А.П. Анализ затухания электромагнитной волны в плазменных фазорегулирующих элементах //Тез. докл. НТК “Перспективы развития антенно-фидерной техники и ее элементной базы”. Суздаль. -1992. -С. 130.

18. Белоус Р.И., Друкаренко С.П., Моторненко А.П. Плазменные фазовращательные элементы СВЧ диапазона //Тез. докл. Межрегиональной научно-техн. конф. ’’Сложные антенные системы и их компоненты. Теория, применение, экспериментальные исследования”. Ленинград. -1991. -С. 161-162.

Білоус Р.І. Коливання електромагнітного поля в хвилеводних структурах з діелектричними та плазмово-діелектричними елементами. -Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математігчних наук за спеціальністю 01.04.03- радіофізика. -Інститут радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України, Харків, 1998.

Дисертація присвячена електродинамічному розрахунку і експериментаїьним дослідженням характеристик електромагнітних коливань і хвиль в хвилеводних структурах, частково заповнених діелектричними або плазмово-діелектричними осесиметричними елементами. Вияснений вплив фізичних параметрів та геометричних розмірів діелектриків та плазми на власні частоти резонатора для найбільш низькочастотних НЕ\ц-, £оп-, Ноп-типів коливань, важливих для практичного використання. Вивчені енергетичні та фазові характеристики іонізуючої хвилі в прямокутному хвилеводі з плазмою розряду в циліндричних діелектричних трубках в сантиметровому і міліметровому діапазонах довжин хвиль. Знайдені умови максимального розсіяння потужності хвилі в плазмі, а також максимальної передачі потужності через плазмово-діелектричний елемент в ■ навантаження. Виявлені дві форми плазми газового розряду і визначені їх особливості. Показані можливості практичного використання одержаних закономірностей.

Ключові слова: хвилеводпа структура, діелектричний елемент, плазма розряду, власна частота, електромагнітна хвиля, фазообертач.

Белоус Р.11. Колебания электромагнитного поля в волноводных структурах с диэлектрическими и плазменно-диэлектрическими элементами. -Рукопись. 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, Харьков, 1998.

Диссертация посвящена электродинамическому расчету и экспериментальным исследованиям характеристик электромагнитных колебаний и волн в волноводных структурах, частично заполненных диэлектрическими или плазменно-диэлектрическими осесимметричными элементами. Выяснено влияние физических параметров и геометрических размеров диэлектриков и плазмы на

собственные частоты резонатора для наиболее низкочастотных НЕщ, £оп и Нон типов колебаний, важных для практического использования. Изучены энергетические и фазовые характеристики ионизирующей волны в

трубках в см и мм диапазонах длин волн. Найдены условия максимального рассеяния мощности волны в плазме, а также максимальной передачи мощности через плазменно-диэлектрический элемент в нагрузку. Обнаружены две формы

практического использования полученных закономерностей.

Ключевые слова: волноводная структура, диэлектрический элемент, плазма разряда, собственная частота, электромагнитная волна, фазовращатель.

Bclous R.I. Electromagnetic field oscillations in waveguide structures with dielectric and plasma-dielectric components. -Manuscript.

Thesis for a candidate degree in physics and mathematics by speciality 01.04.03-radiophysics. -Institute for Radiophysics and Electronics of National Academy of Science of Ukraine, Kharkiv, 1998.

The dissertation is devoted to electrodynamic analysis and experimental investigations of characteristics of electromagnetic oscillations and waves in waveguide structures partially filled by dielectric or plasma-dielectric axisymmetric components. The physical parameters and geometrical sizes influence of dielectric and plasma on the eigen frequencies of the resonator have been found for the lowest frequency HE\i p, £oi r and Дш-mode oscillations. The energetic and phase characteristics of ionizing wave in a rectangular waveguide with disharge plasma in a cylindrical dielectric tubes at the SHF-and UHF-band have been studied. Conditions of the maximum power dissipation in a plasma and the maximum power transmission to the load by plasma dielectric element have been deduced. Two form of the disharge plasma have been discovered and peculiarities thereof have been determined. Capabilities of obtained results application have been demonstrated.

Key words: waveguide structure, dielectric element, disharge plasma, eigen frequency, electromagnetic wave, phase rotator.

Безплатно.

Наукове видання.

Білоус Раїса Іванівна

Коливаня електромагнітного поля в хвилеводннх структурах з діелектричними та плазмово-діелектричними елементами.

Відповідальний за випуск Моторненко А.П.

Підписано до друку 19.03.98 Формат 60x90/16. Папір офсетний.

Друк офсетний. Ум.-друк. арк. 1. Обл. вид. арк. 1. Заказ №______.Тираж 100. Безплатно.

310077, м. Харків, вул. Мироносицька, 1 РІЗО ХДУ