Колебания типа шепчущей галереи открытых квазиоптических металлодиэлектрических резонаторов, возбуждаемые сосредоточенными источниками излучения. тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ ІНСТИТУТ РАДІОФИЗИКИ ТА ЕЛЕКТРОНІКИ Ш. О.Я. УСИКОВА

РГ6 ОД

1 1 *ЯР 1933

Когут Олександр Євгенович

УДК 537.862:621.373.52

Коливання типу шепочущої галереї відкритих квазіоптичних металодіелектричних резонаторів, що збуджуються зосередженими джерелами випромінювання

01.04.03 - радіофізика

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук.

Харків - 1998

Робота виконана в Інституті радіофизики та злектроніки _і\гО:ЯгУсикова Національної Академії Наук України,-м.-Харків.-

Науковий керівник:

доктор фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Харківський Сергій Миколайович.

ІРЕ НАН України, старший науковий співробітник.

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, професор Г ордієнко Юрій Ємельянович.

ХДТУРЕ, завідуючий кафедрою;

кандидат фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Фісун Анатолій Іванович.

ІРЕ НАН України, старший науковий співробітник.

Провідна установа - Інститут плазменої електроніки та нових методів прискорення ННЦ ХФТІ, м. Харків.

С>С->

Захист відбудеться «2 2»> 1998р. о 46 годині на засіданні

спеціалізованої вченої ради Д 64.157.01 в Інституті радіофизики тг злектроніки ім. О.Я. Усикова НАН України (310085, м. Харків, вул. Акад Проскури,12, конференцзал).

З дисертацією можна ознайомитись в науковій бібліотеці ІРЕ НАЬ України, м. Харків, вул. Акад. Проскури,12.

Автореферат розісланий «_^» 1998 р.

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

Актуальність теми. Вибір геми цієї роботи та її актуальність обумовлені як існуючими досягненнями у галузі дослідження і застосування відкритих діелектричних резонаторів з коливаннями типу шепочущої галереї (ШГ), так і існуючими у цій галузі невирішеними задачами.

Висока добротність коливань типу ШГ цих резонаторів визначає їх використання у широкому діапазоні частот від оптичних до надвисоких.

Поширити застосування коливань типу ШГ у міліметровий діапазон довжин хвиль дозволяє перехід до відкритих квазіоптичних металоді-електричних резонаторів (КМДР). Вони являють собою діелектричну структуру у вигляді половини діелектричного тіла обертання (кулі, диска, циліндра) радіусом R > 5Xd - довжина хвилі в резонаторі), розташовану на плоскому металевому дзеркалі. На даний час запропоновано використання півдискових КМДР у фільтруючих НВЧ пристроях, у пристроях для визначення параметрів матеріалів, а також як коливальних систем твердотільних генераторів. Для створення реальних таких пристроїв необхідні цілеспрямовані дослідження електродинамічних властивостей КМДР з урахуванням різних способів їх збудження.

Інтерес до задач збудження коливань відкритих КМДР не обмежується практичною потребою їх застосування, а має також глибоке фізичне значення.

Закономірності формування резонансних полів, які створюються в резонаторі джерелом випромінювання, розташованим усередині або поза нього біля криволінійної межі розділу діелектрик-повітря, досліджено недостатньо. Особливий інтерес представляє випадок, коли джерело випромінювання розташовано усередині резонатора. Ця задача бере початок від теоретичних робіт Кінбера Б.Є., Бабіча В.М., Булдирева B.C. та інших, присвячених дифракції хвиль джерела біля увігнутої поверхні закритого порожнистого металевого циліндра та сфери. її аналіз показує, що саме відкриті КМДР, збуджувані металевим хвилеводом крізь щілину зв’язку в їх дзеркалі, відкривають широкі можливості для дослідження явищ перетворення резонансних полів при зміні положення джерела біля криволінійної межі розділу діелектрик-повітря.

Труднощі теоретичного дослідження збуджування коливань КМДР пов’язані, у першу чергу, з відкритим характером системи «резонатор-

джерело». У зв’язку з цим велике значення мають експериментальні дослідження. їх значення підсилюється з розташуванням активного елемента в резонаторі. Дослідження та порівняльний аналіз генераторів -коливань—з—різними відкритими~КМДР~{у вигляді півкулі, циліндра, півдиска) необхідні для покращення характеристик генераторів з КМДР і вирішення проблеми підсумування потужностей декількох діодів у короткохвильовій частині міліметрового діапазону.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційну роботу проведено згідно з комплексною науковою програмою «Електромагнітні і акустичні явища НВЧ-діапазону в твердотільних структурах» за планом теми «Кентавр-1» (номер державної реєстрації 01.96.И006109), яка виконується в ІРЕ НАН України.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є електродинамічні властивості коливань типу НІГ, що збуджуються у відкритих КМДР з елементами діелектричних кулі, диска та циліндра зосередженими джерелами випромінювання. Для її досягнення необхідно вирішення наступних задач:

1) дослідження коливань типу ШГ, що збуджуються у півкульовому КМДР зовнішнім зосередженим джерелом випромінювання, а також порівняльний аналіз їх зі властивостями коливань півдискового та циліндричного КМДР;

2) систематичне дослідження коливань, що збуджуються у різних відкритих КМДР крізь щілину зв’язку в дзеркалі, з урахуванням зміни умов формування їх резонансних полів біля криволінійної межі розділу діелектрик-повітря;

3) дослідження збуджування коливань відкритих КМДР різних форм діода-ми, розташованими в їх полі.

Наукова новизна.

1. Уперше досліджено коливання (хвилі) типу ШГ у півкульовому відкритому КМДР. Показано, що зосередженим аксіально-несиметричним джерелом випромінювання в резонаторі з ізотропного діелектрика збуджуються вироджені по частоті пояскові коливання, резонансні поля яких формуються у вигляді поясків з різними азимутальними та полярними індексами. Вивчено частотні залежності сповільнення хвиль, добротностей і розподілу інтенсивності полів коливань.

з

2. Виявлено та описано ефект фокусування хвиль ШГ у відкритому КМДР з елементами діелектричної кулі. Показано, що фокусування пучка хвиль ШГ у цих резонаторах обумовлюють сферична поверхня та характеристики джерела випромінювання. Встановлено особливості фокусування різних мод ШГ резонаторів з елементами діелектричної кулі при різних положеннях джерела випромінювання відносно їх дзеркал.

3. Уперше проведено систематичне дослідження коливань, що збуджуються вузьким кінцем металевого хвилеводу крізь щілину зв’язку в дзеркалі резонаторів з діелектричною півкулею, циліндром і півдиском, вивчені їх характеристики та розподіл полів при різних щілинах і їх радіальних координатах. Встановлено, що при зменшенні радіальної координати щілини змінюється радіальний розподіл поля та спектр збуджуваних коливань.

4. Уперше проведено комплексне дослідження генерації коливань одним і двома діодами при їх різних режимах живлення у відкритих КМДР з діелектричною півкулею, циліндром і півдиском. Встановлено, що найбільша потужність і краща стабільність частоти генерації досягаються в генераторі з півкульовим КМДР. Одержано взаємну синхронізацію коливань і підсумування потужностей трьох діодів в резонаторі з діелектричним циліндром.

Практична значимість. Отримані результати можуть бути безпосередньо використані для створення конкретних пристроїв міліметрового діапазону.

Півкульовий і циліндричний відкриті КМДР з коливаннями типу ШГ зможуть знайти застосування як коливальні системи активних приладів (генераторів, підсилювачів та інших), у тому числі багатоелементних, а також як вимірювальні ячейки для дослідження матеріалів. Окрім того півкульовий резонатор є зручною моделлю для дослідження закономірностей формування полів коливань, що збуджуються на сферичній поверхні різними джерелами випромінювання.

Особистий внесок автора дисертації полягає у проведенні вимірювань, розробці методик експериментальних досліджень і участі при обговоренні отриманих результатів і висновків.

Так у серії робіт [1,2,4,5,8,9] автором проведено вимірювання спектральних і енергетичних характеристик збуджених коливань у відкритих КМДР та досліджено розподіл їх полів. У роботах [2,4,8]

півкульового КМДР. Для ідентифікації коливань з плямами полів, що частково перекриваються (типу ШГ і коливань з малою кількістю відбивань) запропоновано та використано метод рухливого обмеженого відбивача. Автором виявлено та досліджено взаємодію коливань типу ШГ і коливань з малою кількістю відбивань.

У серії робіт з генерації коливань діодами в КМДР [3,6,7,10] взято участь у розробці конструкцій генераторів і вимірюванні їх характеристик.

Апробація результатів дисертації. Одержані у дисертаційній роботі результати обговорювались на конференціях і симпозіумах: Міжвідомчій конференції по приладах, техніці та розповсюдженню радіохвиль (Харків, 1992); 3-й, 4-й и 7-й Кримських конференціях «НВЧ-техніка та супутникове приймання» (Севастополь, 1993, 1994, 1997); International Conference on Millimeter and Submillitneter Waves and Applications. (San-Diego. USA,1994); International Symposium «Physics and Engineering of Millimeter and Submillimeter Waves». (Kharkov. Ukraine, 1994).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковано у статтях журналів [1-5] і трудах конференцій [6-10].

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів та висновку. Вона містить 150 сторінок машинописного тексту, включаючи 43 малюнки та список використаних джерел із 96 найменувань.

Зміст роботи:

У вступі розкрито суть і стан наукової задачі, а також її значимість і підстави до вивчення питання, що складає тему дисертаційної роботи. Обгрунтовано необхідність проведення запланованих досліджень.

характеристик власних коливань

У першому розділі проведено огляд робіт з теми дисертації (підрозділ 1.1). Показано, що висока добротність коливань типу ПІГ резонаторів з відкритими діелектричними структурами лежить в основі їх використання у широкому класі активних і пасивних приладів та пристроїв НВЧ техніки. Обгрунтовано актуальність задачі збудження коливань у відкритих КМДР і необхідність використання експериментальних методів для її вирішення. Проведено опис методів експериментальних досліджень, які використовуються у роботі, обгрунтовано їх вибір.

У підрозділі 1.2. проведено опис методик проведення досліджень спектральних, енергетичних характеристик вимушених коливань відкритих КМДР, розподілу інтенсивності їх полів, а також характеристик генерації коливань діодами, розташованими у полі КМДР.

Вимірювання частот коливань в експерименті було проведено за допомогою хвилеміра на основі об’ємного резонатора. Для визначення власної добротності коливань вибрано метод повного опору.

Проведено оцінку похибки вимірювань характеристик КМДР. Найбільший внесок у похибку вимірювання добротності вносить неточність визначення різниці частот по рівню коефіцієнту стоячої хвилі по напрузі КСХН, відповідному половинній потужності. Вона головним чином пов’язана з неточністю відлікової шкали хвилеміра, яка в діапазоні частот 32-г37 ГГц складає 2 МГц на одну поділку. Величина різниці частот в експерименті складає ~18-:-24 МГц. Таким чином, з урахуванням похибки виміру КСХН (~5т8%) при визначенні параметра зв’язку збуджуючого хвилеводу з резонатором, систематична похибка визначення власної добротності в експерименті в середньому складає 18%.

Для дослідження розподілу інтенсивності полів коливань резонаторів використано метод пробного тіла.

Для ідентифікації коливань з частково перекриваючимися плямами полів, а також для дослідження радіального розподілу інтенсивності їх полів запропоновано метод рухливого обмеженого відбивача. Його суть полягає у розділі таких коливань шляхом розташування у полі одного з них обмеженого відбивача. При цьому інші коливання в резонаторі не збуджуються із-за великих ‘ дифракційних втрат на межах відбивача. У порівнянні з методом пробного тіла запропонований метод дозволяє

визначити радіальну координату незбуреного максимуму інтенсивності поля коливання, що досліджується.

Для дослідження характеристик генерації коливань діодами,

—РО^ТаІііиВаппМп-р -11ВЛ1 -вНКОрИІісЩи~В БКСІїсрИЛІсНТІ аНсШІЗаГОр

спектра (вимірювання спектра генерації і електронного перестроювання частоти) і вимірник потужностей.

У другому розділі досліджено новий тип резонатора - півкульовий КМДР з коливаннями типу ШГ.

У підрозділі 2.1. проведено аналіз і чисельно досліджені характеристичні рівняння власних ТМ і ТЕ коливань півкульового резонатора. Встановлено, що вплив дзеркала веде до зниження приблизно у два рази кратності виродження коливань діелектричної кулі. Показано, що при діелектричній проникності матеріалу резонатора є - 2,08 і відношенні радіуса резонатора до довжини хвилі у вільному простору Я/Л0 > 4 з підвищенням частоти сповільнення хвиль ШГ і радіаційна та власна добротності власних коливань зростають, залишаючись при цьому у всьому діапазоні частот вище у ТЕ хвиль (коливань).

У підрозділах 2.2 та 2.3 експериментально досліджені спектральні, енергетичні характеристики і розподіл полів коливань КМДР з елементами діелектричної кулі (півкуля, чвертькуля), що збуджуються зосередженими джерелами випромінювання (звужений кінець порожнистого прямокутного металевого хвилеводу з боку сферичної поверхні резонатора або з боку дзеркала крізь щілину зв’язку). Встановлено, що спектр і розподіл полів вимушених коливань резонаторів залежать від характеристик та положення зосередженого джерела випромінювання. Плями полів коливань типу ПІГ на сферичній поверхні резонаторів мають форму поясків. Ширина поясків в області джерела та його відображення приблизно дорівнює розміру широкої стінки збуджуючого хвилеводу. В області між ними ширина пояска може змінюватись, зростаючи від однієї до декількох довжин хвиль в діелектриці. При зменшенні ширини хвилеводу поясок поля розширюється, не змінюючись в області джерела і його відображення. У цьому виявляється фокусуюча дія сферичної поверхні резонатора на пучок хвиль ШГ. Виділено три характерні форми пояска поля коливань типу ШГ півкульвого КМДР у

випадку, коли збуджуючий хвилевод і резонатор мають спільну площину симетрії. їх властивостями є: обидва звуження розташовані на діаметрально протилежних сторонах резонатора (джерело розташоване на дзеркалі); існує одне звуження (область джерела та його відображення збігаються) (джерело розташоване на сферичній поверхні, а його вісь є вісью симетрії півкулі); обидва звуження розташовані на площині перерізу кулі, яка минає її центр (джерело розташоване на сферичній поверхні резонатора при довільному розташуванні окрім випадків, що вказані вище).

Результати дослідження модової структури пояскових коливань КМДР показали, що при збудженні їх зосередженими джерелами випромінювання досягається розрідження спектра коливань. Число вироджених по частоті коливань відповідає числу поперечних мод хвилеводного переходу між порожнистим металевим хвилеводом і діелектричним хвилеводним каналом. В експерименті, проведеним з півкульовим КМДР (є ~ 2,08) з радіусом К - 39 мм, що збуджується відкритим кінцем одномодового металевого хвилеводу у смузі частот 26+37 ГГц, кожний резонанс відповідає двом виродженим коливанням з азимутальними індексами т = 1,2 та різними полярними полярними індексами ПиП2 з постійною різницею між ними Лп = І щ - п2 І у всьому діапазоні частот.

У підрозділі 2.4. досліджено фокусування хвилевого пучка ШГ в резонаторах з елементами діелектричної кулі, що збуджуються джерелом слабкоспрямованого випромінювання. Показано, що шляхом зміни умов збудження вироджених коливань, можна цілеспрямовано формувати розподіл їх поля. Так, при збудженні парного та непарного коливань з порівняльними амплітудами в експерименті одержано однорідний розподіл поля на поперечному перерізі їх сумарного пояска. При цьому поясок коливання з більш високим азимутальним індексом більш широкий, ніж поясок поля нижчого азимутального коливання. Це створює можливість впливу на вище азимутальне коливання, не збурюючи при цьому нижче. Ефект фокусування пояснено за допомогою уявлень про геодезичну сферичну поверхню.

У підрозділі 2.5. досліджено параметр зв’язку, навантаженої і власної доб-ротності коливань типу ШГ півкульового КМДР, що збуджуються хвилеводом, відкритий кінець якого є щілиною зв’язку в дзеркалі

резонатора. Встановлено, що при збільшенні азимутального індексу коливань їх добротність і параметр зв’язку з ними погіршуються. Отримано добру відповідність експериментальних і розрахункових результатів

------визначення власної добротності вимушених і власних коливань

півкульового КМДР. Різниця між ними складає ~ 6-ь8%.

У третьому розділі приведені результати експериментального дослідження характеристик коливань, що збуджуються у півкульвому, циліндричному і півдисковому КМДР крізь щілину зв’язку в дзеркалі у залежності від її радіальної координати та ширини.

У підрозділі 3.1. показано, що при збудженні внутрішнім джерелом (щілина зв’язку в дзеркалі) відкритих КМДР виникає проблема збудження «чистих» коливань типу НІГ, тому що у цих резонаторах на близьких частотах з коливаннями типу ПІГ можуть одночасно збуджуватись порівняно низькодобротні коливання з малою кількістю N відбивань. Проведено опис цих коливань у межах геометричної оптики шляхом зображення траєкторії їх променів у вигляді правильного N-кутника, вписаного у коло резонатора. Як відомо з теоретичних робіт Кінбера Б.Є., Бабіча В.М., Булдирева B.C., поля коливань типу ШГ є результатом интерференції і дифракції хвиль джерела увігнутої поверхні резонатора. Показано, що поля коливань з малим N при зменшенні радіальної координати положення джерела випромінювання поступово відщеплюються від полів коливань типу ШГ і частково перекриваються з ними. При переході від коливань типу ШГ до коливань з малою кількістю відбивань збуджуються проміжні коливання, форма резонансної кривої і розподіл полів яких залежать від радіальної координати щілини зв'язку, і плями їх полів при різних радіальних координатах джерела більші, ніж плями полів коливань типу ШГ.

Для ідентифікації коливань з плямами полів, що частково перекриваються, запропоновано метод рухливого обмеженого відбивача, суть якого полягає у розділенні таких коливань шляхом розташування у полі одного з них обмеженого відбивача. Інші коливання у цьому випадку в КМДР не збуджуються із-за великих дифракційних втрат на межах відбивача. Показано, що у порівнянні з модифікованим методом пробного тіла (методом щілини) запропонований метод дозволяє визначити радіальну

координату незбуреного максимуму інтенсивності поля коливання, що досліджується із різницею 8+10% у порівнянні з методом щілини визначити його межі.

У підрозділі 3.2. приведені результати дослідження параметру зв’язку, навантаженої і власної добротностей коливань типу ШГ і коливань з малим N, що збуджуються щілина™ зв’язку в КМДР різних форм, і проведено їх порівняльний аналіз. Показано, що величини параметру зв’язку та власної добротності коливань типу ШГ на 35+40% вищі, ніж власна добротність і параметр зв’язку зі збуджуючим хвилеводом коливань з N відбиваннями. Встановлено, що при збудженні півкульвого та лівдискового КМДР крізь щілину зв’язку в їх дзеркалі досягаються режими критичного і надкритичного зв’язку. Найбільшою добротністю, параметром зв’язку і найбільш крутою залежністю параметру зв’язку від ширини щілини мають коливання типу ШГ півкульового КМДР у порівнянні з коливаннями півдискового і циліндричного резонаторів.

У підрозділі 3.3. показано, що в точках збігу резонансних частот коливань типу ШГ і коливань з малим N в КМДР здійснюється їх взаємодія, яка проявляється у створенні сумарного поля, розподіл якого не залежить від радіальної координати джерела випромінювання у межах плями сумарного поля коливань. Встановлено, що взаємодія коливань здійснюється на щілині зв’язку в дзеркалі резонаторів.

У четвертому розділі досліджено збудження коливань діодами Ганна у півкульовому, циліндричному і півдисковому КМДР з урахуванням явищ перетворення збуджуваних коливань при зміні місця розташування внутрішнього джерела випромінювання біля криволінійної межі розділу діелектрик-повітря. Досліджені можливості покращення характеристик генерації коливань діодами в резонаторах, що розглядаються.

У підрозділі 4.1. приведені результати дослідження однодіодної генерації коливань в КМДР у випадках різного положення вздовж радіальної координати джерела випромінювання, при яких в КМДР роздільно збуджуються коливання типу ШГ, проміжні та коливання з малою кількістю відбивань. Показано, що найкращі характеристики генерації спостерігаються в півкульовому КМДР. При цьому найбільша потужність генерації досягається при збудженні в резонаторах проміжних коливань, а

краща стабільність частоти - при збудженні коливань типу 11ІГ. Показано, що характеристики генерації коливань діодами в КМДР в основному

визначаються злектродинамічними властивостями резонаторів. ______________

______Показано,-що-покращитігстабільшсть частоти однодіодної генерації

дозволяє щілина без діоду з поршнем, розташована на діаметрально протилежному кінці дзеркала в полі резонатора. Зміною положення поршня вдається понизити крутість електронного перестроювання частоти генерації.

У підрозділі 4.2. приведені результати дослідження характеристик дводіодної генерації коливань у розглядаємих КМДР при паралельному (обидва діоди живляться від одного джерела) і роздільному (кожен діод живиться від свого джерела а кількість джерел живлення відповідає кількості діодів) режимах живлення діодів. Показано перевагу режиму роздільного живлення діодів у порівнянні з паралельним. Вона полягає у наступному: в спектрі вихідного сигналу відсутні низькочастотні шуми; розширюються по напрузі межі режиму взаємної синхронізації коливань діодів; збільшується сумарна потужність генерації. Підвищення сумарної потужності досягається у зв’язку з індивідуальною настройкою кожного діоду на максимум потужності. Показано, що найбільша сумарна потужність і краща стабільність частоти генерації досягаються у півкульовому КМДР.

У підрозділі 4.3. приведені результати дослідження характеристик тридіодної генерації коливань у циліндричному КМДР. Досягнуто взаємні синхронізації коливань діодів і підсумування їх потужностей. Показано, що при збільшенні. кількості діодів стабільність частоти генерації покращується. ■

У висновках проведено оцінку стану питання, яке складає тему дисертаційної роботи, визначені шляхи досягнення її мети. Сформульовані основні результати, які одержані у роботі:

1. Уперше досліджені коливання типу ШГ в КМДР з елементами діелектричної кулі.

1.1. Експериментально показано, що спектр і розподіл полів коливань типу ШГ пів - та чвертькульового КМДР залежать від характеристик і місця розташування зосередженого джерела випромінювання. Виявлено, що плями полів вимушених коливань резонаторів, що

досліджуються, на їх поверхні мають вигляд неоднорідних поясків зі звуженнями в області джерела та його відображення і розширенням в області між ними. У цьому проявляється фокусуюча дія сферичної поверхні резонаторів на пучок хвиль ШГ. Проведено класифікацію форм плям полів пояскових коливань; виділено три характерні їх форми у випадку, коли є спільна площина симетрії збуджуючого хвилеводу і резонатора. їх властивості полягають у наступному: обидва звуження розташовані на діаметрально протилежних боках резонатора; є одне звуження (область джерела та його відображення збігаються); обидва звуження розташовані у площині перерізу кулі, яка не проходить через її центр;

1.2. Показано, що при збудженні коливань типу ШГ півкульвого КМДР зосередженим джерелом випромінювання досягається розрідження його спектру. Кількість вироджених по частоті пояскових коливань відповідає кількості поперечних мод хвилеводного переходу між збуджуючим хвилеводом і криволінійним діелектричним хвилеводним каналом. Виявлено, що полярні індекси вироджених коливань різні з постійною різницею у всьому діапазоні частот. Показано, що розподіл сумарного поля вироджених коливань можна цілеспрямовано формувати шляхом зміни умов їх збудження. Так, при збудженні парного та непарного коливань з близькими амплітудами вдається отримати однорідний розподіл поля в поперечному перерізі їх сумарного пояска. Поясок вищого азимутального коливання більш широкий, ніж поясок поля нижчого азимутального коливання. Це створює можливість впливу на зище азимутальне коливання без обурювання нижчого;

1.3. Одержано добру відповідність розрахункових і експериментальних результатів дослідження власної добротності коливань типу ШГ і сповільнення формуючих їх хвиль ШГ у півкульовому КМДР. Розрахунок було проведено за допомогою характеристичних рівнянь власних ТМ і ТЕ коливань півкульового КМДР.

2. Уперше проведено систематичне дослідження коливань типу ШГ, що збуджуються у відкритих КМДР різних форм порожнистим металевим хвилеводом крізь щілину зв’язку в їх дзеркалі в залежності від радіальної координати та ширини щілини.

2.1. Показано, що при збудженні коливань півкульового і півдискового резонаторів крізь щілину зв’язку в дзеркалі досягаються режими критичного та надкритичного зв’язку;

2.2. Виявлено, що при збудженні внутрішнім джерелом (щілина зв’язку в дзеркалі) відкритих КМДР виникає проблема збудження «чистих» коливань типу ПІГ, тому що, як встановлено, в цих резонаторах на близьких частотах з коливаннями типу ШГ можуть одночасно збуджуватись порівняно низькодобротні коливання з малою кількістю N відбивань на межі розділу діелектрик-повітря;

2.3. Встановлено, що поля коливань з малим N при зменшенні радіальної координати внутрішнього джерела випромінювання поступово відщеплюються від полів коливань типу ШГ і частково перекриваються з ними;

2.4. Запропоновано метод рухливого обмеженого відбивача для ідентифікації коливань з плямами полів, що частково перекриваються. Показано, що у порівнянні з модифікованим методом пробного тіла (методом щілини), запропонований метод дозволяє визначити радіальну координату "незбуреного максимуму інтенсивності поля і з відносною різницею ~ 8-г-10% визначити його межі;

2.5. Проведено опис коливань з N відбиваннями у межах геометричної оптики шляхом зображення траєкторії їх променів у вигляді правильного Л-кутника, вписаного в коло резонатора;

2.6. Показано, що в точках збігу резонансних частот коливань типу ШГ і коливань з малим N відбувається їх взаємодія, яка виявляється у створенні сумарного поля, розподіл якого не залежить від радіальної координати джерела випромінювання. Встановлено, що взаємодія коливань відбувається на щілині в дзеркалі резонаторів.

3. Уперше досліджені характеристики генерації діодами Ганна в КМДР різних форм.

3.1. Встановлено, що найкращі характеристики генерації коливань одним і двома діодами можна одержати у півкульовому КМДР, у порівнянні з півдисковьім і циліндричним;

3.2. Виявлено, що найбільшу потужність генерації можна одержати при збудженні в резонаторах проміжних коливань, а найкращу стабільність частоти - при збудженні коливань типу ШГ;

3.3. Показано, що покращити стабільність частоти однодіодної генерації можливо шляхом розташування в полі резонатора пасивного діодного модуля з короткозамикаючим поршнем, зміною положення якого досягається пониження крутості електронного перестроювання частоти;

3.4. Показано переваги режиму роздільного живлення діодів у порівнянні з паралельним: відсутність режиму низькочастотних шумів, розширення по напрузі меж режиму взаємної синхронізації коливань діодів і підвищення сумарної потужності генерації завдяки можливості індивідуального настроювання кожного діоду на максимум потужності;

3.5. Проведено дослідження характеристик тридіодної генерації коливань в циліндричному КМДР. Показано перспективність застосування цього резонатора як коливальної системи багатодіодних генераторів.

Основні результати дисертації опубліковано в статтях:

1. Харьковский С.Н., Когут А.Е., Солодовник В.А. Фокусировка волн типа шепчущей галереи в квазиоптическом полусферическом диэлектрическом резонаторе// Письма в ЖТФ.-1995.-Т.21, №18.-С.38-42.

2. Когут А.Е., Кутузов В.В., Филиппов Ю.Ф., Харьковский С.Н., Квазиоптический полусферический диэлектрический резонатор с колебаниями типа "шепчущей галереи" // Сб. научн. трудов "Распространение радиоволн в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах", Харьков, ИРЭ НАН Украины. -1995.-С.72-85.

3. Kharkovsky S.,Kirichenko A., Kogut A. Solid-State Oscillators with Whispering-Gallery-Mode Dielectric Resonators // Microwave and Optical Technology Letters.-1996.-V.12, №4.-P.210-213.

4. Когут A.E., Кутузов B.B., Филиппов Ю.Ф., Харьковский С.Н. Колебания типа шепчущей галереи в квазиоптическом полусферическом диэлектрическом резонаторе // Изв. ВУЗов. Радиоэлектроника.-1997.-Т.40, №2.-С. 19-26.

5. Харьковский С.Н., Когут А.Е., Кутузов В.В. Возбуждение лучевых колебаний в квазиоптических диэлектрических резонаторах с модами шепчущей галереи //Письма в ЖТФ.-1997.-Т.23, №15.-С.25-29.

6. Харьковский С.Н., Когут А.Е. Твердотельный генератор СВЧ и КВЧ колебаний с открытым квазиоптическим металлодиэлектрическим резонатором // Сб.тр. 3-ей Крымской конф. «СВЧ-техника и спутниковый прием», Севастополь,-1993 .-T.6.-C.S06-809.

7. Kharkovsky S., Kogut A. Millimeter wave solid-state oscillator with

a quasioptical metal dielectrical resonance system // In Millimeter and Submillimeter Waves, Mohammed N.Afsar, Editor, Proc. SPIE2211,1994,-JL65-JZ2.____________________________________________________________________

8. Filipov Yu., Kharkovsky S., Kogut A. Azimuthal oscilations in a dielectrical halfsphere with a plane metallic mirror // Conf. Proc. of «Physics and Engineering of Millimeter and Submillimeter Waves». -Kharkov (Ukraine). -1994.-V. 1 .-P. 142-143.

9. Харьковский C.H., Харьковская A.A., Когут A.E., Кутузов В.В. Возбуждение квазиоптических диэлектрических резонаторов через щель связи в зеркале // Сб. тр. 7-ой Крымской конф. «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», Севастополь.-1997.-Т.1.-С. 135-137.

10. Харьковский С.Н., Когут А.Е., Кутузов В.В., Громов П.В. Твердотельные генераторы КВЧ с квазиоптическими металло-диэлектрическими резонаторами // Сб. тр. 7-ой Крымской конф. «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» , Севастополь. -1997.-Т.2.-С.361-362.

Анотація

Когут О. Є. Коливання типу шепочущої галереї відкритих квазіоптичних металодіелектричних резонаторів, що збуджуються зосередженими джерелами випромінювання. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.03 - радіофізика, Інституту радіофізики та електроніки НАН України, Харків, 1998.

Уперше досліджені коливання півкульового відкритого квазіоптичного металодіелектричного резонатора (КМДР), що збуджується зосередженими джерелами випромінювання. Виявлено і описано ефект фокусування хвиль шепочущої галереї (ШГ) в резонаторах з елементами діелектричної кулі.

Уперше проведено систематичне дослідження коливань різних КМДР, що збуджуються крізь щілину зв’язку в дзеркалі. Визначені умови, коли такий спосіб збудження КМДР є ефективним. Виявлено, що у відкритих

КМДР разом або роздільно з коливаннями типу ШГ можуть збуджуватись коливання з малою кількістю відбивань, які можуть виявитись при зміні положення джерела випромінювання і змінити характеристики коливань типу ШГ.

Уперше досліджені характеристики коливань одним і двома діодами в півкульовому і циліндричному КМДР. Показано, що ці резонатори є перспективними для створення на їх основі багатодіодних генераторів.

Ключові слова: міліметрові хвилі, коливання типу шепочущої галереї, відкриті квазіоптичні металодіелектричні резонатори, зосереджені джерела випромінювання, твердотільні генератори.

Аннотация

Когут А.Е. Колебания типа шепчущей галереи открытых квазиоптических металлодиэлектрических резонаторов, возбуждаемые сосредоточенными источниками излучения. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физикоматематических наук по специальности 01.04.03 - радиофизика, Институт радиофизики и электроники НАН Украины, Харьков, 1998.

Впервые исследованы колебания полушарового открытого квазиоптического металлодиэлектрического резонатора (КМДР), возбуждаемые сосредоточенными источниками излучения. Обнаружен и описан эффект фокусировки волн шепчущей галереи (ШГ) в резонаторах с элементами диэлектрического шара.

Впервые проведены систематические исследования колебаний различных КМДР, возбуждаемых через щель связи в зеркале. Определены условия, при которых такой способ возбуждения КМДР является эффективным. Обнаружено, что в открытых КМДР вместе или раздельно с колебаниями типа ШГ могут возбуждаться колебания с малым числом отражений, которые могут проявиться при изменении положения источника излучения и изменить характеристики колебаний типа ШГ.

Впервые исследованы характеристики генерации колебаний одним и

двумя диодами в полушаровом и цилиндрическом КМДР. Показано, что эти резонаторы перспективны для создания на их основе многодиодных генераторов.

Ключевые слова: миллиметровые волны, колебания типа шепчущей-галереи, открытые квазиоптические металлодиэлектрические резонаторы, сосредоточенные источники излучения, твердотельные генераторы.

Annotation

Kogut A. The whispering gallery modes of the open quasioptical metal-dielectrical resonators which are excited by the concentrated radiators. -The Manuscript.

The thesis for the search of the scientific degree of a candidate of physics and mathematics in the speciality of 01.04.03. - radiophysics, IRE NAS of Ukraine, Kharkiv, 1998.

The oscillations of the hemiball open quasioptical metal-dielectrical resonators (QMDR) which are excited by the concentrated radiators are investigated for the first time. The effect of the whispering gallery modes focusing in the resonators with the elements of a dielectric ball is found and considered.

The systematic investigations of the whispering gallery modes of the different QMDRs which are excited through the coupling slot in the mirror are carried out for the first time. The conditions which correspond to effective way of this QMDRs excitation are determined. It’s found that oscillations with the few reflections can be excited in the QMDRs ft the same time or separatly with the whispering gallery modes. They can be shown in the case of the radiator position change and can chahge the whispering gallery modes characteristics.

The generation characteristics of oscillations by the single and double diodes in the hemiball and cylinder QMDR are investigated for the first time. It’s shown that these resonators are perspective for the multielement oscillators.

Key words: millimeter waves, whispering gallery modes, quasioptical metal-dielectrical resonators, concentrated radiators, solid-state oscillators.

Когут Олександр Євгенович

Коливання типу шепочущої галереї відкритих металодіелектричних резонаторів, що збуджуються зосередженими джерелами випромінювання

Відповідальний за випуск Кириченко А.Я.

Підп. до друку 12.03.98. Формат 60x84/16 Пап. офс. Друк офсетний. Ум.-печ.арк.І. Уч.-вид.арк.1. Тираж 100 прим. Зам.№ Без ціни.

310077, м. Харків, вул. Мироносицька, 1; к. 4-82 РІЗО ХДУ