Открытые резонаторы с эшелеттиными и гребенчатыми решетками и их применение в электронике миллиметрових волн тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ Інститут радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова

Р Г Б ОД

1 з м

На правах рукопису

БІЛОУС Олег Ігорович

ВІДКРИТІ РЕЗОНАТОРИ З ЗШЕЛЕТНИМИ І ГРЕБІНЧАТИМИ ГРАТКАМИ ТА ЇХ ВИКОРИСТАННЯ В ЕЛЕКТРОНІЦІ МІЛІМЕТРОВИХ ХВИЛЬ

01.04.03 - радіофізика

01.04.04 - фізична електроніка

Автореферат дисертації на здобуття вченого ступеню кандидата фізико-математичних наук

Харків —1996 р.

Робота виконана в Інституті радіофізики та електроніки Національної Академії Наук України, м. Харків

Наукові керівники:

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, професор КИРИЛЕНКО Анатолій Афанасієвич;

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

доктор фізико-математичних наук, старший науковий співробітник СІРЕНКО Юрій Костянтинович; кандидат фізико-математичних наук, старший науковий співробітник ЧУРИЛОВА Світлана Анатоліївна.

Харківський державний університет ім. О.М. Горького

Провідна організація:

Захист відбудеться ”^.”_^^£^£^1996р. о 11. годині на засіданні спеціалізованної Ради Д 02.29.01 в Інституті радіофізики та електроніки НАН України (310085, м. Харків, вул. Акад. Про-скури, 12, актовий зал).

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

Автореферат розіслано п1996 р.

Учений секретар

Спеціалізованої Ради

доктор фізико-математичних наук

К.О. Лукін

з

Актуальність теми. Інтенсивне освоєння міліметрового та субміліметрового діапазонів хвиль впливає на створення нової елементної бази, зокрема, приладів і пристроїв резонансного типу, основною складовою частиною яких є добротна коливальна система.

Серйозні труднощі використання елементної бази більш довгохвильових діапазонів пов’язані зі значним погіршенням їх характеристик, шо перш за все пов’язано з різким зменшенням перерізів хвилеводів, визваних прагненням уникнути багатомодового режиму. В з’язку з цим значно зростають теплові втрати в стінках хвилеводів, а це, в свою чергу, приводить до значного зниження добротності коливальних систем, обумовлюючого зростання нестабільності частоти генераторів і підвищення їх частотних шумів.

Одним із шляхів уникнення вказаних труднощів є використання відкритих резонаторів (ВР) з гладкими дзеркалами як коливальних систем приладів і пристроїв міліметрового і субміліметрового діапазонів хвиль. Проте, природнього розрідження спектру, властивого таким резонансним системам, в більшості випадків виявляється недостатньо. Крім того, існують значні труднощі погодження активних локальних елементів з відкритою коливальною системою. Тому все частіше використовуються дисперсійні відкриті резонатори з відбивачами у вигляді дифракційних граток, яким властиве додаткове розрідження спектру і можливість розміщення в них активних і пасивних елементів без суттєвого зниження характеристик.

Слід зазначити, що існуючі методи з достатньою точністю дозволяють досліджувати коливальпі системи з гладкими дзеркалами, але ВР з дифракційними гратками до цього часу досліджені ще недостатньо. Зокрема, не розроблені теоретичпі та експери-

ментальні методики вивчення характеристик ВР зі складними відбивачами в вигляді дифракційних граток.

Все сказане дозволяє зробити висновок про актуальність тематики, порушеної в матеріалах цієї дисертації і пов’язаної з дослідженням електродинамічних властивостей відкритих резонаторів з ешелеттними та гребінчатими дзеркалами.

Мета роботи — теоретичне і експериментальне дослідження електродинамічних властивостей відкритих резонаторів з еше-летними та гребінчатими гратками, спрямоване на використання вивчених характеристик для розробки джерел випромінювання міліметрових та субміліметрових хвиль та покращення їх параметрів.

Наукова новизна. З допомогою двомірної хвилевідної моделі, основаної на хвилеві дній концепції утримання поля всередині відкритої коливальної системи і на методі узагальненої матриці розсіяння, вперше розв’язана задача збудження відкритого резонатора для співвідношень характерних розмірів, властивих квазіоптиці. На основі результатів дослідження класичного резонатора Фабрі-Перо зроблено висновок про правомірність використання запропонованої моделі для вивчення властивостей ВР з відбивачами у вигляді дифракційних граток. Таким чином, розроблена методологія дозволяє одержати теоретичний результат, що відповідає основним даним експериментального дослідження ВР в межах застосування вибраних моделей коливальних систем з гратками.

Виявлено нові механізми формування високодвбротних коливань в резонаторах з ешелетними дзеркалами, прозадано класифікація: типів коливань відкритого резонатора з кутовоешелетним дзеркалом, виявлено власні кошвання кутовоешелетного дзеркала, тобто коливання відкритого резонатора типу ешелет-ешелет. По-

казано можливість збудження і експериментально виявлено Е-поляризовані коливання в резонаторі з кутовоешелетним дзеркалом.

Вперше експериментально підтверджено можливість одержання квазіодночастотних спектрів в резонаторах з гребінчатою граткою, встановленого під кутом до осі резонатора, відмінним від прямого.

Достовірність і обгрунтованість одержаних в роботі наукових результатів обумовлюється: в теоретичній частині — застосуванням математично обгрунтованих методів і відповідністю розрахункових і дослідних результатів; в експериментальній частині — адекватністю експериментальних методів, використаних з додержанням загальнопризнаних метрологічних норм, явищам, що вивчаються, регулярним відтворенням одержаних результатів. Подальша розробка і випробування дослідних зразків квазіоптичних джерел коливань міліметрового діапазону підтвердили справедливість викладених в роботі положень і висновків.

Практична цінність роботи полягає в створенні напівпровідникових твердотільних генераторів з відкритою дисперсійною коливальною системою, які характеризуються високою короткочасною стабільністю частоти, низьким рівнем частотних шумів та потужністю, порівняною з потужністю джерел коливань хви-левідного типу.

Реалізація розробок. Розроблена серія квазіоптичних твердотільних генераторів з кутовоешелетною коливальною системою міліметрового діапазону довжин хвиль (ГКГ-8, ГКГ-3; ГКЛ-8, ГКЛ-5, ГКЛ-3, ГКЛ-За), створена в результаті проведених досліджень в ІРЕ НАН України, впроваджена в таких організаціях: ІРЕ НАН України, м.Харків; СКТБ ІРЕ НАН України, м.Харків; Радіоастрономічний інститут НАН України, м.Харків; НВО ”Са-

турн”, м.Київ; Інститут фізики напівпровідників Сибірського відділення АН Россії, м.Новосибірськ; Науково-дослідний інститут фізичних проблем Міністерства електронної промисловості Россії, м. Зеленоград Московської області; НДІ Приладобудування, м. Москва.

Положення, шо підлягають захисту:

1. Одержано строгий розв’язок задачі збудження ВР з допомогою плоскої двомірної моделі на основі декомнозиційного підходу і хвилевідної концепції утримання поля для співвідношень між характерними розмірами резонатора і довжиною хвилі, властивих квазіоптиці. Встановлено зв’язок поля в зовнішньому просторі стрічкового резонатора з амплітудно-фазовим розподілом поля в об’ємі ВР не тільки на частоті резонансу, а і поблизу неї. З’ясовано, що розподіл поля в збуджуючому хвилеводі повністю визначається ступенем його зв’язку з відкритим резонатором. Показано, що даний підхід до розв’язку задачі збудження росповсюджується на резонатори зі ступін-чатою деформацією дзеркал.

2. Поля основних і вищих типів коливань дисперсійного ешелет-ного ВР формуються під впливом, принаймні, двох факторів: дифракційних властивостей гратки і трансформації хвиль на системі сходинок ешелета в напрямку, перпендикулярному осі резонатора, яка приводить до асиметричної концентрації поля в вузькій частині дисперсійного резонатора, а в резонаторі з кутовоешелетним дзеркалом до стягування поля до осі резонатора.

3. Виявлено і досліджено власні , коливання кутовоешелетного дзеркала, що є коливаннями резонатора типу ешелет-ешелет.

При цьому вони мають значну добротність і майже не залежать від положення плоского дзеркала.

4. Два механізми формування високодобротних коливань: дзеркального резонансу ешелетних граток і трансформації хвиль на системі сходинок ешелета в напрямку, перпендикулярному осі ВР, являються необхідними і достатніми умовами збудження ^-поляризованих коливань в ВР з кутовоешелетним дзеркалом.

5. Висока добротність режиму недзеркального автоколімаційно-го розсіяння хвиль гребінчатими гратками, що обумовлена наявністю областей, де можуть розповсюджуватись хвилевід-ні хвилі, приводить до існування квазіодночастотних спектрів коливань в ВР, де гратка встановлена під кутом до осі резонатора, відмінним від прямого.

6. На основі високих селективних і поляризаційних властивостей та можливості концентрації і трансформації полів дисперсійних резонаторів створені твердотільні і електронновахуумні квазіоптичні джерела випромінювання міліметрового і субміліметрового діапазонів довжин хвиль, що мають низький рівень частотних шумів, одномодовий режим роботи, підвищену стабільність та енергетичні характеристики.

Проведені в роботі дослідження і їх результати свідчать про появу в квазіоптиці нового класу резонансних систем — відкритих резонаторів з дисперсійними дзеркалами складної форми. Характерною рисою вказаних електродинамічних структур є суттєва залежність їх параметрів від параметрів відбивальних дифракційних граток, що входять в їх склад і проява ряду тонких ефек-

тів, які можуть бути виявлені тільки в результаті або теоретичного розгляду відповідної задачі, або проведення коректно поставленого складного як в технічному, так і в методичному відношеннях радіофізичного експерименту. Здійснювані завдяки новим якостям розширені функціональні можливості резонансних систем з дифракційними відбивачами відкривають перспективи створення радіофізичних структур з суттєво покращеними вихідними характеристиками. Підтвердженням цьому є розробка при активній творчій участі дисертанта квазіоптичних твердотільних джерел коливань, оригінальність конструкцій яких підтверджена авторськими свідоцтвами на винаходи.

Апробація і публікації. Викладені в дисертаційній роботі результати неодноразово обговорювались на наукових семінарах ’’Фізика твердого тіла” і ’’Радіофізика та електроніка міліметрових та субміліметрових хвиль” ІРЕ НАН України і доповідались на XI Всесоюзній науковій конференції ’’Електроніка надвисоких частот” (Орджонікідзе, 1986р.); III Всесоюзній школі з розповсюдження міліметрових і субміліметрових хвиль в атмосфері (Харків, 1989р.); International School on Mi.crowave Physics and Technique (Bulgaria, Varna, 1989); Krajove Sympozium Telekomunikacji (Polska, Bydgosczy, 1990); International Conferences on Millimeter Waves and Far-Infrared Technology (China, Beijing, 1990, 1992), 16-th, 17th and 18-th International Conferences on Infrared and Millimeter Waves (Switzerland, Lausanne, 1991; USA, Passadena, 1992; UK, Colchcster, 1993); IV Всесоюзній, школі з розповсюдження міліметрових і субміліметрових хвиль в атмосфері (Нижній Новгород, 1991р.); Всесоюзній науково-технічній нараді ’’Малошумлячі генератори НВЧ. Стан розробок і перспективи застосування в метрології” (Іркутськ, 1991р.); І Українському симпозиумі ’’Фізика і тех-

піка міліметрових і субміліметрових радіохвиль” (Харків, 1991р.); на Міжвідомчій науково-технічній конференції ’’Прилади, техніка і розповсюдження мм, субмм хвиль” (Харків, 1992р.); 23-rd European Microwave Conference (Spain, Madrid, 1993); на 3-й Кримській конференції і виставці ”НВЧ-техніка и супутниковий прийом” (Севастополь, 1993р.); International Conference on Millimeter and Submil-limeterwaves and Applications (USA, San-Diego, 1994), International Symposium ” Physics and Engeneering of mm and submm Waves” (the Ukraine, Kharkov, 1994); на науково-технічній конференції "Техніка і фізика злектронних систем і пристроїв” (Суми, 1995р.).

Розроблений при участі автора квазіоптичний твердотільний генератор міліметрового діапазону довжин хвиль зі сферокутовоеше-летною коливальною системою експонувався на Виставці досягнень народного-господарства України (Київ, 1989р., диплом другого ступеню і срібна медаль); Відкритій ярм'арці науково-технічних розробок і нових зразків товарів народного вжитку (Москва, 1990, срібна медаль); Науково-технічній виставці ’’Наука в Українській РСР” (Індія, 1990р.).

Всі результати, викладені в дисертації, одержані особисто автором або при його безпосередній участі і опубліковані в 43 друкованих роботах і 3 описах авторських свідоцтв на винаходи. Найбільш важливі з них приведені в кінці автореферату.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, чотирьох глав і висновку. Вона містить 105 сторінок основного тексту, 77 сторінок малюнків і список цитованої літератури з 115 найменувань на 15 сторінках.

Короткий зміст роботи.

У вступі проаналізовано стан проблеми і обгрунтована ак-

туальність теми дисертації. На основі представленого короткого аналізу методів дослідження відкритих резонаторів поставлені наукові задачі і сформульована мета роботи. Тут же коротко викладено зміст роботи і відомості, пов’язані з її апробацією.

Т"\ * ** • « • •

В першій главі запропоновано теоретичнии підхід для дослідження відкритих резонаторів, оснований на хвилевідній концепції утримання поля в об’ємі відкритої коливальної системи, розробленій Л.А.Вайнштейном, і методі узагальненої матриці розсіяння. Основна ідея підходу полягає в зведенні задачі збудження відкритого резонатора до еквівалентної хвилевідної з наступною де-композицією складних хвилевідних вузлів на елементарні ключові структури, для яких відомий розв’язок відповідних внутрішніх задач дифракції. Технологія застосування цієї моделі для дослідження відкритих резонаторів відпрацьована на двомірному класичному резонаторі Фабрі-Перо, збуджуваному плоским хвилеводом. В рамках декомпозиційного підходу розглядуваний ВР розкладається на такі елементарні ключові блоки: Т-образне стикування хвилеводів і відкриті кінці хвилеводів, з’єднані між собою регулярними відрізками хвилеводів. Здійснюючи послідовне складання відкритого резонатора із базових елементів, було одержано вираз для коефіцієнтів відбиття ТЕМ хвилі, падаючої на вхід ВР зі сторони плоского хвилеводу:

Нх - 5(і0 + 501 Е\()\Е\Р + (Б02 4- $іпЕї0^п6)Е20,Е7Н,

де допоміжні оператори Е^О и Н знаходяться розв'язком системи лінійних алгебраїчних рівнянь (СЛАР):

(/ - 511Д61Е1)^ = 510; (і - 8пЕ16іЕг)д - в12 {/ - (522 + Б21 Е[біЬ\С)Е'іО‘іЕ-2}іі = 520 -+• З^ЕідіЕіР

и

Таким чином, задача звелась до розв’язку СЛАР і ряду простих матричних операцій.

Алгоритми розрахунку матриць розсіяння Т-образвого з’є днання хвилеводів 5 і відкритих кінців хвилеводів О можуть бути різними. В цій роботі як найбільш ефективні застосовувались: метод формули Гріна для Т-обралного з’єднання хвилеводів, метод Вінера-Хопфа для відкритого кінця хвилеводу та метод часткових областей для сходинки в хвилеводі.

Спектр досліджуваного резонатора являє собою відомі серії резонансів, що групуються поблизу напівцілих значень безрозмірної частоти ге = а/А (а - відстань між дзеркалами, А - довжина хвилі у вільному просторі), причому добротності вищих тинів коливань в межах однієї серії обернено пропорційні квадрату поперечного ін-декса. Досліджено важливий з практичної точки зору зв’язок між модовим складом ВР і місцезнаходженням збуджуючого хвилеводу на дзеркалі ВР. Показано, що при зміщенні збуджуючого хвилеводу із центру одного із дзеркал можливе збудження як парних, так і непарних типів коливань.

Дослідження діаграм випромінювання із відкритих кінців дозволило зробити висновок про те, що по їх формі можна робити висновок про наявність або відсутність стану резонансу в резона торі.

Вивчено також надзвичайно важливе в прикладному відношенні питання про амплітудно-фазовий розподіл поля в збуджуючому хвилеводі. Показано, що він повністю визначається ступенем зв’язку збуджуючого хвилевода з відкритим резонатором. 13 момент резонансу на перетині щілини зв’язку локалізований мінімум магнітної (максимум електричної) компопепти поля при слабкому зв’язку, максимум магнітної (мінімум електричної) ■— при сильно-

му зв’язку, при критичному зв’язку магнітна і електрична компоненти практично співпадають.

Одержані в першій главі результати в-основному підтверджуються результатами, одержаними іншими методами. А це дозволяє зробити висновок про правомірність застосування запропонованої процедури для дослідження не тільки ВР, що моделюються відрізками регулярних хвилеводів, а і ВР зі складними дзеркалами, які можна представити в вигляді відрізків скінченої довжини нерегулярного хвилеводу зі ступіпчатою деформацією одній' або обох стінок, наприклад, ВР з ешелетом. В цьому розумінні на матеріалах першої глави була проведена апробація методу.

Друга глава присвячена вивченню електродинамічних властивостей ВР з ешелетними дзеркалами. З допомогою викладеної в першій главі методики, перш за все досліджено резонатор з одним ешелетним відбивачем. Його спектр, в порівнянні з еквівалентним резонатором Фабрі-Перо, значно розріджений. Із всього набору коливань, властивих еквівалентному резонатору, у плоскоешелетного залишились тільки ті коливання, для яких сходинки ешелета мають резонансний розмір. Ці дані добре погоджуються з експериментальними результатами. Чисельна візуалізація збуджуваних типів коливань показує аномальний розподіл поля як основних, так і вищих типів коливань, який полягає в концентрації енергії в вузькій частині ВР, що обумовлено наявністю ешелета, як дисперсійного елемента, і суттєвою асиметрією досліджуваного резонатора.

Використання ешелетних дзеркал в відкритих коливальних системах виявило декілька позитивних якостей ешелетних ВР. Перш за все це суттєве розрідження спектру коливань при збереженні високої добротності. Але разом з цим існують і недоліки, що полягають в досить серйозних труднощах погодження локальних еле-

іентів з такою коливальною системою і наявністю втрат енергії ерез нульову гармоніку просторового спектру ешелета. Тому за-ономірним етапом в розвитку відкритих ешелетних резонаторів тала розробка ВР з кутовоєшелетним дзеркалом, яке складено з вох ешелетів тез, що одна із граней являється спільною.

З допомогою хвилевідної методики дослідження ВР були одер-сані спектри такого резонатора при різних способах збудження, також розподіл полів збуджуваних типів коливань. Перш за все лід відзначити, що спектр ВР з кутовоешелетним дзеркалом менш озріджений, ніж спектр плоскоешелетного ВР, що підтверджено і кспериментальними дослідженнями. Аналіз топології полів наяв-их типів коливань дозволив розділити їх по механізму збудження а п’ять груп. Це:

— типи коливань при малих значеннях безрозмірної частоти аг (великих довжинах хвиль). Це просто деформовані типи коливань класичного резонатора Фабрі-Перо.

— типи коливань, для яких сходинка ешелета і відстань між дзеркалами мають резонансний розмір (аналогічні одержа-. ним для плоскоешелетного резонатора). їх формування можна представити як послідовне відбиття енергії від дзеркал резонатора в напрямку кого осі.

— тішв коливань, для яких резонансною є тільки відстань між дзеркалами і суттєву роль відіграє механізм трансформації хвиль на сходинках ешелета в напрямку, перпендикулярному осі резонатора, що приводить або до витискування поля на периферію ВР, або до суттєвого стягування кого до осі резонатора. В останньому випадку мінімізуються втрати на випромінювання і, як наслідок, підвищується добротність ре-

зонатора.

— типи коливань, що формуються послідовним відбиттям енерг: від плоского дзеркала і окремих ешелетів (трьохдзеркальн система).

— типи коливань, які є власними коливаннями кутовоешелетног дзеркала або резонатора типу ешелет-єшелет. Плоске дзерка ло при цьому майже не впливає на ці типи коливань.

Як відомо, в ВР з одним ешелетним дзеркалом можли ве збудження тільки Я-поляризованих коливань, оскільки Е поляризована хвиля повністю відбивається в нульову гармонік; просторового спектру ешелета. В зв’язку з цим передбачалось, що резонаторі з кутовоешелетним дзеркалом коливальний процес ви никає при послідовному відбитті енергії від гладкого дзеркала обох ешелетів. І дійсно, в результаті проведених як теоретичні» так і експериментальних досліджень, були виявлені коливання та кого типу. Але поряд з цим виявлені і інші, неочевидні, механізм: формування ^-поляризованих коливань в резонаторі з кутовоешє летним дзеркалом. Це коливання, для яких резонансним є тілі ки відстань між дзеркалами, а перевідбиття на системі сходино: ешелетів приводить, як і в Я-поляризації, до формування високс добротних коливань з концентрацією поля вздовж осі резонатора.

В третій главі відзначено, що всі результати для ВР з еше летішми дзеркалами одержані з допомогою хвилевідної моделі віг критих резонаторів і тільки для пояснення деяких положень довс далось звертатись до теорії розсіяння хвиль на гратках, оскільк використання дифракційних граток як відбивачів ВР основане н явищі недзеркального автоколімаційного відбиття хвиль, тобто кс ли енергія, падаюча на дифракційну гратку, відбивається в зве

ггньому напрямку. При цьому при проектуванні дисперсійних Р з дзеркалами-гратками різноманітної геометрії слід приймати > уваги не тільки рівень концентрації енергії в недзеркальній про-'оровій гармоніці, а і добротність відповідного режиму розсіяння, ерший показник при цьому буде визначати добротність коливані в ВР, а другий —ступінь ефективного відбору цього коливання ред інших можливих. Порівнюючи ці два показники для ешелет-ії і гребінчатої граток, можна відзначити значно більш високу ібротність режиму розсіяння для гребінки, яка обумовлена наяв-стю у неї часткових областей, регулярних для розповсюдження іилевідних хвиль. В зв’язку з цим для одержання в ВР квазіодно-істотних спектрів слід віддавати перевагу гребінкам (або іншим іаткам, що мають регулярні області для розповсюдження хви-відних хвиль).

В роботі були досліджені гратки з різним періодом І коефіці' том заповнення. З допомогою строгої теорії резонансного роз-інпя хвиль дифракційними гратками були виявлені області ав-іколімаційного відбиття з високою інтенсивністю на -1 і -2 гар-шіках як для Е-, так і для Я-поляризацій. Спектр ВР, у яко-гратка устанавлювалась під кутом до осі резонатора, взятим із рогого розрахунку, містить практично одне коливання. Причому значне відхилення кута нахилу гребінчатого дзеркала до осі ре-натора від автоколімацішюго приводить до швидкого зникнення ливань в ВР, що свідчить про високу ефективність розрідження ектру в резонаторах з гребінчатими гратками.

Четверта глава присвячена застосуванню відкритих резо-торів з дисперсійними дзеркалами в електроніці міліметрового субміліметрового діапазонів хвиль. Резонатори з ешелетними еркалами мають унікальні властивості. Це привело до створення

на їх основі джерел електромагнітного випромінювання, яким та кож властиві високі характеристики. На основі кутовоешелетноп ВР були розроблені напівпровідникові джерела коливань міліме трового діапазону довжин хвиль. Ці генератори мають доситі низькі частотні шуми (-120 дБ/Гц при використанні діодів Ганн; і -ІООдБ/Гц при використанні лавинно-пролітних діодів при від стройці на 10 КГц від несучої) і високою короткочасною стабіль ністю частоти (2 ■ 10-8 за хв.). Основні характеристики розробле них приладів приведені в таблиці

Тип приладу Діапазон, ГГц Тип діоду Потужність, мВт Напр, жив., В Струм, А Маса, кГ

ГКГ-8 30-40 ДГ( АіЬа) 100 4-5 0.8 0.25

ГКГ-3 80-86 ЛТ(ІпР) 10 7 0.12 0.1

ГКЛ-8 33-42 лпд 150 ЗО 0.15 0.25

ГКЛ-5 53-62 лпд 60 24 0.15 0.2

ГКЛ-3 93-96 ЛПД 15 16 0.2 0.1

ГКЛ-За 115 ЛПД 15 16 0.2 0.1

(Хоча дані генератори розроблялись на фіксовані частоти, можлив механічна перестройка 0.5 — 1.0 ГГц. Для підвищення довгочасне стабільності частоти застосовувались схеми термостабілізації. Ц дозволило підвищити довгочасну стабільність, принаймні, на поря док.

Можливість збудження /^-поляризованих коливань в резонатор з кутовоешелетним дзеркалом дозволило створити на його осної генератор дифракційного випромінювання (ГДВ). Експеримеї тальні дослідження цього приладу свідчать про відсутність вищи типів коливань в спектрі ГДВ зі сферокутовоешелетним ВР, н відміну від ГДВ з іншими резонаторами, наприклад, з найбільї поширеним — сфероциліндричним ВР. Крім того цей ГДВ мг кращі енергетичні характеристики при тих же робочих струма:

Експериментально знятий розподіл поля в працюючому ГДВ по-шістю співпадає з розрахунковим, знайденим у 3-й главі.

В висновку сформульовані основні результати дисертації і іказані перспективні області їх застосування.

Основні результати і висновки роботи.

1. На прикладі модельної задачі, пов’язаної зі збудженням відкритого резонатора Фабрі-Перо, показано правомірність застосування хвилевідної концепції утримання поля в об’ємі відкритої коливальної системи і узагальненої матриці розсіяння для дослідження відкритих резонаторів, тобто електродинамічних систем, що мають великі розміри порівняно з довжиною хвилі і зв’язок з відкритим простором. Поряд з відомими фактами, які аргументують адекватність моделі поставленій задачі, виявлено, що діаграми випромінювання з відкритих кінців стрічкового резонатора в дальній зоні залежать від амплітудно-фазового розподілу поля п резонаторі, від частоти збуджуючої хвилі, а також від вигляду зв’язку коливальної системи зі збуджуючим хвилеводом. Крім цього показано, що на частоті резонансу розподіл поля в збуджуючому хвилеводі, а. також на перетині щілини зв’язку обумовлений ступенем зв’язку об’єму коливальної системи зі збуджуючим хвилеводом.

2. Досягнуто значний прогрес в розумінні процесів, що відбуваються в резонаторах з ешелетними дзеркалами. Відзначе-по суттєве розрідження спектру колисань в резонаторі з одним ешелетним дзеркалом, встановленим по автоколімаційній схемі. Пояснено аномальну поведінку добротності і розподілу поля в таких резонаторах, яка полягає в підвищенні доброт-

ності сфероешелетного ВР при невеликому відхиленні від режиму автоколімації і зміщенні максимумів в розподілі поля в вузьку частину плоскоешелетного ВР.

3. Проведено класифікацію типів коливань, існуючих в ВР з ку-товоешелетним дзеркалом. Це, по-перше, типи коливань з частотами, що відповідають малим значенням ге (великим довжинам хвиль), які представляють собою деформовані типи коливань класичного резонатора Фабрі-Перо. По-друге, типи коливань для яких сходинки ешелета і відстань між дзеркалами мають резонансний розмір (аналогічні одержаним для плоскоешелетного резонатора). їх формування можна представити як послідовне відбиття енергії від дзеркал резонатора в напрямку його осі. По-третє, типи коливань, що формуються послідовним відбиттям енергії від окремих ешелетів і плоского дзеркала. І, нарешті, типи коливань, для яких резонансним є тільки відстань між дзеркалами. При цьому сутт єву роль відіграє механізм трансформації хвиль на сходинках ешелета в напрямку, перпендикулярному осі резонатора, що приводить або до витискування поля на периферію ВР, або до суттєвого стягування його до осі резонатора. В останньому випадку мінімізуються втрати на випромінювання, що приводить до значного росту добротності.

4. Виявлено і досліджено власні коливання кутовоешелетного дзеркала, що є коливаннями відкритого резонатора типу ешелет-ешелет. При цьому відбувається своєрідне замикання енергії всередині кутовоешелетного дзеркала.

5. Показана можливість збудження ^-поляризованих коливань в ВР з кутовоешелетним дзеркалом, які виникають не тільки

при дзеркальному відбитті від ешелетів, з яких складено ку-товоешелетне дзеркало. Суттєву роль в формуванні найбільш добротних коливань відіграє процес трансформації хвиль на системі сходинок ешелетів в напрямку, перпендикулярному осі резонатора.

6. На прикладі ВР, в якому гребінчата гратка встановлена під кутом до осі резонатора, відмінним від 90°, вперше показана можливість одержання в них як Н-, так і ^-поляризованих коливань. Відзначено, що ці коливання носять квазіодпоча-стотний характер, тобто в широкому інтервалі частот є тільки одне коливання, визване автоколімаційним відбиттям на одному з поядків просторового спектру гратки.

7. На основі одержаних результатів розроблено і досліджено ряд конкурентноспроможних квазіогітичних джерел міліметрового діапазону довжин хвиль, що мають, як показали дослідження, унікальні характеристики.

Основні публікації по темі дисертації приведено нижче (повний ерелік публікацій міститься в дисертаційній роботі):

1. Белоус О.И., Кириленко А.А., Ткаченко В.И., Фисун А.И., Фурсов А.М. Возбуждение ленточного открытого резонатора плоским волноводом. //Радиофизика, 1994, - АҐ- 3, -с.300-314. (Изв. высш. учебн. заведений).

2. Белоус О.И., Кириленко А.А., Корнеенков В.К., Мирошниченко B.C., Фисун А.И.. Фурсов А.М. Генератор дифракционпого излучения со сфероуголковоэшелеттным открытым резонатором. //Радиоэлектроника, -1995, - «V* 11, -с.З. (Изв. высш. учебн. заведений).

3. Белоус О.И., Булгаков Б.М., Фисун А.И., Фурсов А.М. Особенности режима автоколлимации в дисперсионном открытом резонаторе с фазокорректирующим зеркалом. Письма в ЖТФ, 1992, с.46-5

4. Архипов А.В., Белоус О .И., Булгаков Б.М., Фисун А.И., Фурсов А.М. Квазиоптические генераторы на диодах Ганна и ЛПД с открытым сфероуголковоэшелеттным резонатором. "Приборы и техника эксперимента”, 1991, АЛ 3, с.106-109.

5. Белоус О.Й., Булгаков Б.М., Скресанов В.Н., Фисун А.И.. Шубный А.И. Квазиоптический генератор Ганна с увеличенным диапазоном перестройки частоты. ’’Приборы и техника эксперимента”, 1988, М-1, с.125-127.

6. Архипов А.В., Белоус О.И., Булгаков Б.М., Леонов Ю.И., Фи-сун А.И., Фурсов А.М. Возбуждение открытого резонатора с уголковым эшелеттным зеркалом твердотельным источником СВЧ колебаний. Научное приборостроение в мм и субмм диапазонах. Сб. научн. трудов, г.Харьков. 1988. ИРЭ АН УССР, с.37-43.

7. О.И.Белоус, А.И.Фисун ’’Квазиоптические твердотельные ис точники эектромагнитных колебаний КВЧ диапазона” //Тез докл. н.-т. конф. ’’Техника и физика электронных систем i устройств”, Украина, Сумы, 18-20 мая 1995г., т.2, C.203-2Q4.

8. Belous O.I., Fisun A.I,, Fursov A.M., Kirilenko A .A., Tkachen ko V.I. Waveguide Stimulation of open resonator with complicate< mirrors. Int. Conf. on Millimeter and Submillimeter Wave and Applications. Jan. 10-14, 1994, San-Diego, California, USA p.169.

9. Belous O.I., Kirilenko A.A., Fisun A.I. Open resonant system with echelette mirrors. Proc. of APMC-94, Dec. 6-9, 1994, Tokyo, Japan, pp.767-769.

10. Belous 0.1.у Fisun A.I., Fursov A.M., Kirilenko A.A., Tkachenko V.I. Problem of stimulation of open resonator with frequency-selective mirror. Rigorous solution. Int. Symp. ”Phys. Engin. of MM Submm Waves”, Conf. Proc., v.l, pp. 122-125, 1994, Kharkov, Ukraine.

11. Belous O.I., Fisun A.I., Fursov A.M., Kirilenko A.A., Tkachenko V.I. Open resonator with mode selection for millimeter wave devices. Proc. of,-18-th Int. Conf. on Infrared and Millimeter Waves. Sept. 1993. University of Essex, Colchester, UK. v.2, pp.216-217.

12. Belous O.I., Fisun A.I., Fursov A.M. High-Stability Spherecor-nerechelette Open Resonator Gunn-diode and IMPATT-diode Oscillator. Proc. 17-th Int. Conf. of IR and MM Waves. Passadena, Colifornia, USA. 1992. p.456-457.

1.3. Belous O.I., Bulgakov B.M., Fisun A.I., Fursov A.M., Kosov A.S., Zotov W.A. Low-Noise Inp Gunn Generator with Sphere-Echelette Open Oscillating System. Proc. of 16-th Int. Conf. on Infrared and Millimeter Waves, Lausanne, Switzerland, August 28-30, 1991. p.78-79. '

14. Белоус О.И., Булгаков Б.М., Кирилеико A.A., Ткаченко В.Й., Фисун А.И., Фурсов А.М. Особенности возбуждения Ленточного открытого резонатора плоским волноводом. Тр. I Украинского симпозиума "Физика и техника мм и субмм волн”. 15-17 окт. 1991, Харьков, ИРЭ АН УССР, с.272-273.

15. Белоус О.И., Булгаков Б.М., Фисун А.И., Фурсов А.М. Открытые резонаторы с эшелеттом - новый класс высокодобротных колебательных систем твердотельных и электровакуумных приборов КВЧ диапазона. Тр. Всесоюзного н.- техн. совещания ” Малошумящие генераторы СВЧ. Состояние разработок и перспективы применения в метрологии’'. Иркутск, ВС НИИФТРИ, 17-19 сент. 1991. с.93-94.

16. Белоус О.И., Булгаков Б.М., Кириленко А.А., Фисун А.И., Фурсов А.М. Проблема разрежения спектра в дисперсионных открытых резонаторах с отражательными дифракционными решетками. Тр. I Украинского симпозиума "Физика и техника мм и субмм волн”. 15-17 окт. 1991. Харьков, ИРЭ АН УССР, с.270-271.

17. Arkhipov A.V., Beloue O.I., Bulgakov В.М., Fisun A.I., Fureov A.M. Millimeter Wave Stable Solid-State Sources with Sphero-Echelette Open Oscillating System. Int. Conf. on Millimeter Wave and Far-Infrared Technology. June 19-23, 1990. p.539-540.

18. Архипов A.B., Белоус O.H.,. Булгаков Б.М., Назаренко Л.С., Скляров А.П., Фисун А.И., Фурсов А.М. Генератор. А.С.1540616, опубл.в Б.И. Л£ 2,1991.

19. Белоус О.И., Булгаков Б.М., Фисун А.И., Фурсов А.М. Генератор СВЧ. А.С. 1309870, опубл. в БИ М 3 1989, с.295-296.

20. Белоус О.И., Булгаков Б.М., Бпишен В.А., Фисун А.И., Фурсов А.М. Генератор. А.С.1370712(СССР), опубл. в Б.И. /Ф 4, 30.01.88, с.224-225.

Белоус О.И. Открытые резонаторы с эшелеттннымн и гребенчатыми решетками я нх применение в электронике миллиметровых волн. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальностям 01.04.03 — радиофизика і 01.04.04 — физическая электроника, ИРЭ НАН Украины, г. Харьков, .998.

Решена задача возбуждения резонаторов с плоскими н ступенчатыми еркалами. Показано, что применение волноводной концепции удержания нергнн в ОР и метода обобщенной матрицы рассеяния правомочно в со-тношениях квазиоптики для решения задачи возбуждения ОР со ступенчатыми зеркалами. Установлено, что в дисперсионных резонаторах со лажным (например, уголховоешелеттным) зеркалом существует механизм формирования высокодобротных колебаний, основанный ка трансформации олноводных волн на ступенях. В ОР с гребенчатой решеткой, установлен-юн под углом к оси резонатора, получен кваэисщночастотный спектр, вы-ванный автоколлимационным отражением на одном из порядков простран-твенного спектра решетки. Разработаны и внедрены квазиоптические ис-очникн излучения со сфероугелковоетелеттным ОР, по своим параметрам ревосходящие отечественные и зарубежные аналоги.

Ключові слова: дисперсійний відкритий резонатор, ешелет, квазіоптнч-е джерело випромінювання.

Belous O.I. Open resonators with echelette and comb gratings and heir application in millimeter wave band electronics. The thesis for he search of the scientific degree of a candidate of physics and mathematics in he speciality of 01.04.03 — radiophysics and 01.04.04 — physical electronics, RE NAS of Ukraine, Kharkov, 1996.

The problem of excitation of the resonator with plane and steep deformation liriors has been solved. The application of the waveguide conception of staining the energy in the OR and the generalized scattering matrix method as been shown to be correct in the quasioptics correlations for solving the roblem of the OR with the steep deformation mirrors. It has been found iat there exists a mechanism cf forming the high ^-quality mode in dispersive )R with a corner-echelette mirror, the mechanism involved being based on tie transformation waveguide wave on the steeps. The quasi-mono-frequency sectrum of the oscillation caused by the autocollimation reflection on one f space harmonics of the comb grating has been obtained in the OR with этЬ grating mounted at an angle to the axis of resonator. The quasioptic idiation sources with the sphere-corner-echelette OR have been elaborated ad introduced, the parameters of these courses surpass the native and foreign aalogous devices.

Keywords: dispersive open resonator, echelette, quasioptic radiation source.

Безплатно.

Олег Ігорович БІЛОУС

Відкриті резонатори з ешелетними і гребінчатими гратками та їх: застосування в електроніці міліметрових хвиль.

Відповідальний за випуск В.М. Скресанов

Підписано до друку 05.04.96.

Формат паперу 60 х 90 х 1/16 Об'єм 1 фіз. д. л. Заказ АГ2- 24 . Тираж 100 зкз. Безплатно.

Ротапринт ІРЕ НАН України. Харків-85, вул. Акад. Проскури, 12.