Трансформация высших волн сверхразмерных волноводов в волны простейшей структуры в мощных СВЧ приборах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

Российская академия наук Институт прикладной физики

РГ6 од

2 3 НДЙ 11'8' //о правах рукописи

ВИНОГРАДОВ Дмитрий Вадимович

ТРАНСФОРМАЦИЯ ВЫСШИХ ВОЛН СВЕРХРАЗМЕРНЫХ ВОЛНОВОДОВ В ВОЛНЫ ПРОСТЕЙШЕЙ СТРУКТУРЫ ' В МОЩНЫХ СВЧ ПРИБОРАХ

01.04.03— радиофизика, 01.04.04 — физическая электроника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Нижний Новгород — 1994

Работа выполнена в Институте прикладной физики РАН, г. Нижний Новгород

Научные руководители:

кандидат физико - мататических наук В.А.Флягин

кандидат физйко - мататических наук Г.Г.Денисов

Официальные оппоненты:

доктор физико - математических наук, профессор И.Г.Кондратьев

кандидат физико - мататических наук Г. Д. Богомолов

Ведущее предприятие:

Институт радиотехники и электроники РАН

Защита состоится "6" июня 1994г. в 14 час. на заседании специализированного совета К 003.38.01 в Институте прикладной физики РАН (603600, г.Нижний Новгород, ГСП-120, ул. Ульянова, 46)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института прикладной физики РАН.

Автореферат разослан "6" мая 1994г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат физико - мататических наук А.М.Белянцев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. За последние десятилетия отмечалось бурное развитие электроники больших мощностей (ЭБМ), связанное с расширением области применения мощного когерентного излучения миллиметрового и сантиметрового диапазона длин волн.

Наиболее ярким примером использования приборов ЭБМ могут служить слаборелятивистские гиротроны, работающие в непрерывном и квазинепрерывном режимах в коротковолновой части СВЧ - диапазона. В своем диапазоне длин волн они являются наиболее мощными источниками излучения (с выходной мощностью порядка 1 МВт в импульсах порядка 1 сек) и широко используются для электронно -циклотронного нагрева плазмы в экспериментах, проводимых в рамках программ по управляемому термоядерному синтезу.

Как расширение области применения гиротронов, можно рассматривать эксперименты по их использованию в качестве источников СВЧ-излучения в технологических процессах.

В качестве примера использования приборов ЭБМ, можно привести также приборы релятивистской электроники, которые находят применение в радиолокации и различных физических экспериментах.

Практическое применение приборов электроники больших мощностей накладывает на них требования по увеличению мощности выходного излучения, продвижению в коротковолновую часть миллиметрового диапазона длин волн и увеличению длительности

импульса. Комплекс этих требований вызывает необходимость использования в приборах ЭБМ пространственно-развитых электродинамических систем и выбор в качестве рабочих волн высших волн полых металлических волноводов.

Так, в слаборелятивистских шротронах используются высшие типы волн волноводов круглого поперечного сечения, такие как Но,з, 1*15,4, Ню,4 , 1*22,5 и т.д. Несколько ниже, но не менее разнообразны волны релятивистской электроники: Еод, Еод, Ер, Н42 и т.д. Поперечная структура таких волн сложна, а для использования излучения, как правило, необходимы простейшие волны, например, узконаправленные волновые пучки с линейной поляризацией. Более того, транспортировка мощного СВЧ-излучения коротковолнового диапазона длин волн также осуществляется волнами с простейшей структурой: в закрытых линиягх передачи волнами НЕ^х, Нод, Н^ круглого волновода; а в открытых линиях передачи - гауссовым волновым пучком.

Следовательно, для транспортировки излучения приборов ЭБМ и, соответствешю, для его использования необходимы высокоэффективные преобразователи волноводных волн высших типов в волны простейшей структуры.

Конструктивно такие преобразователи могут быть либо частью мощного электронного СВЧ прибора (в качестве выходного узла), либо отдельным прибором, являющимся связующим звеном между прибором ЭБМ и линией передачи.

Использование преобразователей такого типа не ограничивается приведенной выше задачей. Следует упомянуть о задаче тестирования узлов мощных СВЧ приборов на низком уровне мощности. Для се решения необходимы преобразователи рабочей волны стандартных

маломощных лабораторных генераторов (как правило, низшей волны прямоугольного волновода) в рабочую волну исследуемого прибора (высшую волну круглого волновода).

Задача преобразования волн стоит также и в антенной тех)гике. Для создания специальных диаграмм направленности излучения антенн в некоторых случаях используются выемше тины волн (например, волна Ео,1 круглого волновода). При продвижении в коротковолновую часть миллиметрового диапазона и при сохранении высокого уровня мощности излучения эта задача становится трудноразрешимой даже для относительно невысоких типов волн.

Принципиальные шаш по решению проблемы трансформации высших волн сверхразмерных волноводов в волны простейшей структуры были сделаны в работах [1.21 В работе [Ц для преобразования волноводных волн был предложен отрезок плавнонерегулярного волновода с периодической гофрировкой стенок. Преобразователи этого типа нашли широкое применение в ЭБМ.

В работе [2] был предложен квазиоптический преобразователь высшей волны круглого волновода в собственную волну зеркальной линии передачи. Принцип действия такого преобразователя основан на геометрооптическом иреобразовании зеркалами излучения высшей волны волновода. Использование этих преобразователей в гиротронах позволило формировать непосредственно на выходе гиротрона простейшую волну (ТЕМод) и конструктивно разделить в выходном узле волновой и электронный пучки. Коэффициент преобразования рабочей волны гиротрона в волновой пучок в существующих квазиоптических преобразователях не превышает 80 ... 85%. Для удовлетворения выдвигаемых перед современными гиротронами требований необходимо

увеличение коэффициента трансформации квазиоитических преобразователей до величин порядка 90 ... 95%.

Цель настоящей работы состояла в разработке принципов построения и создании высокоэффективных преобразователей высших типов волн сверхразмерных волноводов в волны простейшей структуры, годных для использования в приборах электроники больших мощностей.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1.Преддожен новый метод эффективного преобразования волноводных волн, основанный на использовании скачкообразного характера изменения параметров связи волн.

2.Найден новый метод высокоэффективного сопряжения высших волн сверхразмерных волноводов различных поперечных сечений с собственными волнами зеркальной линии передачи и построения на этом принципе преобразователей типов волн.

Практическая значимость. Реализованные в процессе выЛолчения диссертационной работы преобразователи были использованы в приборах ЭВМ: в качестве входного узла черепковского СВЧ-усилителя с релятивистским сильноточным пучком; в качестве узла выходного тракта радара с релятивистским СВЧ-геиератором; в качестве встроенных выходных преобразователей мощных миллиметровых гаротронов. Разработанные преобразователи использовались для создания специальных диаграмм направленности в антенных установках миллиметрового диапазона длин волн.

Использование результатов работы. Разработанные в результате диссертационной работы преобразователи использовались в качестве узлов приборов ЭБМ в ИПФ РАН, НПО "Салют", ИСЭ СО РАН, а также в качестве узла антенпой системы радиометра в НИРФИ.

Апробация результатов работы. Материалы диссертации докладывались на 7 всесоюзном симпозиуме по сильноточной электрогаке (Томск, 1988), всесоюзном научном семинаре ''Математическое моделирование и применение явлений дифракции" (Москва, 1990), 8 международной конференции по сильноточным релятивистским пучкам (Новосибирск, 1990), 17 международной конференции по инфракрасным и миллиметровым волным (Пасадена, США, 1992), 10 школе - семинаре по дифракции и распространению волн (Москва 1993), а также на научных семинарах ИПФ РАН.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, двух глав и заключения. Объем диссертации составляет 172 страницы, 63 рисунка, 2 таблицы и список литературы из 74 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1 посвящена задаче преобразования полноводных волн высших типов и простейшие волноводныс волны (волноводные преобразователи типов волн). В главе 2 исследуется преобразование высших волн сперхразмерных волноводов в собственные волны открытых линий передачи.

В главе 1 предложен новый метод эффективного преобразования волноводных волн, основанный на использовании скачкообразного хг.ракгера изменения параметров связи волн. Теоретически показано, что метод позволяет получить высокую (близкую к 100%) эффективность иреобразоватш волн даже в условиях их умеренной связанности.

В вводном разделе 1.1 кратко излагаются используемые в .диссертационной работе методы описания распространения электромагнитных волн в нлашто-нерегулярных волноводах: метод возмущений и метод поперечных сечений. На примере модельной задачи взаимодействия двух волн описываются известные принципы преобразования волн: преобразование сильно связанных волн и преобразование слабо связанных волн. Обсуждаются вопросы влияния паразитных волн на коаффициеш преобразования и ширину полосы преобразования различных типов преобразователей.

В разделе 1.2 предлагается новый метод преобразования волноводных юли: преобразование умеренно связанных волн в системе со скачком фаз коэффициента связи волн. На основе модельной задачи взаимодействия двух волн находятся необходимые для полного преобразования параметры системы, как то: место и величина скачка

фазы коэффициента связи волн. Предложенный метод расширяется на случай взаимодействия трех рабочих волн и показана принципиальная возможность его использования для достижения полного преобразования при взаимодействии трех и более рабочих волн.

Раздел 1.3 посвящен проблеме согласования нормальных волн различных нерегулярных волноводов, возникающей при разработке некоторых элементов свсрхразмсрных волноводных трактов. В рамках двухволнового приближения решается задача согласования нормальных волн двух систем с постоянным коэффициентом связи волн. Рассматриваются два способа согласования: адиабатический и неадиабатический (основанный на использовании участка со скачком амплитуды коэффициента связи). Для адиабатического способа найдены условия, при которых возможно адиабатическое согласование нормальных волн, а для неадиабатическою согласования и параметры согласующего участка.

Раздел 1.4 посвящен исследовашпо преобразователей типов волн волноводов круглого поперечного сечения, созданных на основе способа преобразования умеренно связанных волн, описанных в разделе 1.2. Во вводной части раздела обсуждается возможность осуществления эффективного и широкополосного преобразования практически важных низших симметричных волн кругло.го волновода Ео,1 и Н^.

В разделе 1.4.1 исследуется преобразователь волны Еод в низшую волну круглого волновода Н^. Теоретически и экспериментально (на примере .преобразователей сантиметрового и миллиметрового диапазона длин "волн) показано, что . преобразователь обладает высоким коэффициентом преобразования ц = 0,99 и достаточно широкой полосой преобразования (16% на уровне т| = 0,9%).

В разделе 1.4.2 исследуется преобразователь волны Но,) в волну Е,,, . Отличительной (от известного преобразователя Жутс) чертой предлагаемого преобразователя является отсутствие изменения преобразователем направления обшей оси волноведучцего тракта.

В разделе 1.4.3 экспериментально показана возможность преобразования вращающихся волн круглого волновода методом скачка фазы коэффициента связи на примере преобразователя волк Н51 в Н2.2-Раздел 1.5 посвящен использованию разработанных волноводных преобразователей в мощных приборах ЭБМ. В разделе 1.5.1 - в черепковском СВЧ - усилителе с релятивистским сильноточным электронным пучком. В разделе 1.5.2 - в радаре с релятивистским СВЧ -генератором. В разделе 1.5.3 описано использование разработанного преобразователя волн Ни в Ео.] в качестве модулятора- переключателя в радиометре миллиметрового диапазона длин волн для создания специальной диаграммы паправдснпости.

В главе 2 предложен новый метод высокоэффективного сопряжения высших волн сверхразмерных волноводов различных поперечных сечений с собственными волнами зеркальной линии передачи. Теоретически и экспериментально показано, что метод позволяет получить высокую (близкую к 100%) эффективность преобразования волн.

В вводной части главы 2 обсуждаются преимущества передающих линий, использующих в качестве рабочих волны простейшей структуры (зеркальные линии, импсдансные волноводы). Кратко описываются преобразователи высших воли сверхразмерных волноводов в собственные волны этих линий, впервые предложенные в |2|. Коэффициент преобразования таких преобразователей порядка 80%. однако для удовлетворения выдвигаемых перед современными

приборами ЭВМ требований, необходимо увеличить коэффициент преобразования ло величин порядка 90 - 95%.

В разделе 2.2 предлагается новый метод сопряжения высших волн сверхразмерных волноводов с волнами простейшей структуры, позволяющий существенно увеличить коэффициент преобразования (>95%). На основе сопоставления геометрооптического и волнового описания волн в волноводе найдены типы зеркальных линий и соответствующие им типы деформаций регулярных волноводов, позволяющие сделать высокоэффективное сопряжение нормальных волн волновода и зеркальных линий.

Для предлагаемых типов деформаций волноводов найдена возможность описания взаимодействия волн в таких нерегулярных волноводах в рамках трех- хг даухводнового приближений. Опираясь на результаты, полученные в разделе 1.4 настоящей работы, предлагаются Два возможных типа сопряжения волн: адиабатический и неадибатический (основанный на использовании участка со скачком амплитуды коэффициента связи).

Для адиабатического способа сопряжения обсуждается критерий адиабатичности. (Приложение к гл.2 посвящено обшим критериям адиабатичности нерегулярных квазиоптических волноведуших структур). Для неадкбатичсского способа сопряжетш найдены параметры согласующего участка-и зеркальной линии.

На основе численных расчетов для рахпичных типов сопряжения показана возможность высокоэффективного преобразования практически важной (типичной рабочей волны мощного гиротрона миллиметрового диапазона длин волн) волны Н15 4 в волновой пучок.

Раздел 2.3 иосвяшсн экспериментальному исследованию высокоэффективных преобразователей, основанных на предложенном методе.

Экспериментально для преобразователя высшей волны желобкового волновода Н5 д в собственную волну зеркальной линии передачи был получен коэофициенг преобразования т]-0.97, а для преобразователя высшей волны круглого волновода Н15Д в собственную волгу зеркальной линии передачи л = 0.96.

Раздел 2.4 посвящен . использованию предложенного высокоэффективного преобразователя в 1 МВт 1 ¡0 ГГн гиротронс.

В заключении сформулированы основные • результаты диссертации и положения, выдвигаемые на защиту:

1. Предложен новый метод эффективного преобразовать волноводных волн, основанный на использовании скачкообразного характера изменения параметров связи волн. Теоретически показано; что метод позволяет получить высокую (близкую к 100%) эффективность преобразования волн даже в условиях их умеренной связанности. •

2. На основе предложенного метода разработаны и экспериментально исследованы практически важные преобразователи волн: широкополосный' преобразователь волн круглого волновода Ни в Еод для СВЧ излучения .большой мощности; преобразователь волн 'круглого волновода Нод в.. Е^ в сверхразмерном волноводе; преобразователь высших вращающихся волн Н5Д в Нгд и Н27.1 в Н15 4 , использованных в физических экспериментах.

3. . На основе сопоставления лучевого и модового представлений полей

в сверхразмерных полых металлических волноводах найден новый метод высокоэффективного сопряжения высших волн различных поперечных сечений с собственными волнами зеркальных яинйй Передачи. Разработан адекватный метод расчета адиабатического и ступенчатого способов сопряжения,

4. Экспериментально продемонстрирована высокая эффективность сопряжения (с эффективностью 95-97%) высших волноводов с собственными волнами зеркальных линий передач на примерах вращающейся волны круглого волновода Н ¡5 4 , используемой в качестве рабочей в мощных гаротронах миллиметрового диапазона длин волн, и волны Н51 желобкового волновода, способной быть рабочей волной релятивистского мазера на свободных ->иектронах. Разработанные преобразователи выецпгх волн с вер ¡размерных волноводов были использованы в ряде приборов электроники больших мощностей:

• 110 Ггц, 1 МВт импульсный гиротрон со встроенным высокоэффективным преобразователем;

• черепковский СВЧ - усилитель с релятивистским сильноточным элекгроннымпучком;

• радар с релятивистским СВЧ - генератором,

• в качестве узла антенной системы радиометра миллиметрового диапазона длин волн.

ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Ковалев Н.Ф., Орлова И.М., Петелин М.И. Трансформация воли в многомодовом волноводе с гофрированными стенками // Изв. вузов. Радиофизика. - 1968. - Т.11, вып.б., С.783-786

2. Власов С.Н.. Орлова И.М. Квазиоптический преобразователь волн волновода круглого сечения в узконаправленный волновой пучок // Изв. вузов. Радиофизика. - 1974. - Т.17, вып.1., СД48-154

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ:

1. Виноградов Д.В., Денисов Г.Г. Преобразование волн в изогнутом волноводе с переменной кривизной.// Изв.вузов. Радиофизика. -

, 1990. - Т.ЗЗ, вып.6. - С.726 - 732.

2. Виноградов Д.В., Денисов Г.Г. Преобразование волноводных волн в системах' со скачком фазы коэффициентов связи.// Изв.вузов. Радиофизика. - 1990. - Т.ЗЗ, вып.9. - C.109S - 1100.

3. Vinogradov D.V., Denisov G.G. Waveguide Mode Converters with. Step Type Coupling.// Int. Journal of Infrared and Millimeter Waves. 1991. -V.12, N.2. - P. 131 - 140.

4. A.c. 1566424 СССР, МКИ H01P1/16 Преобразователь типов волн / Виноградов Д.В., Денисов Г.Г. - Заявка N4387334; заяшгено 29.01.88.

5. Bratman V.L. et al. Experimental Investigation of Chercnkov Microwave Amplifiers with High - Current Relativistic Beams.// 8th Int. Conf. on High - Power Partical Beams - Novosibirsk, USSR, 2-5 July, 1990, p.270.

6. Abubakirov E,B. et. al. Generation and Acceleration of High - Current Annular Electron Beam in Linear Induction of the Power Microwave Radiation from Cherenkov TWT. - Dubna, 1990. - 12 c. - (Preprint / ОИЯИ ; £ - 90 - 407).

7. Абубакиров Э.Б., Ботьгашк И.Е., Братман B.JI., Виноградов Д.В., Денисов Г.Г., Казача В.И., Красных А.К., Офицеров М.М., Перелыптейн Э.А., Сидоров А. И. Получение мощного СВЧ

излучения диапазона миллиметровых волн в черепковским ЛБВ с релятивистским сильноточным электронным пучком.// Журнал технической физики. - 1990. - Т.60, вып.9, C.1S6-189.

S. Ботвинник И.Е., Братман В.Л., Виноградов Д.В. и др.// Труды 7 Всесоюз. симпозиума по сильноточной электронике. - Томск, 1988, 4.1, С. 191 - 193.

9. Виноградов Д.В., Денисов Г.Г.. Петелин М.И. Эффективное преобразование высших волн в волны открытых зеркальных линий ' передачи.// Труды 10 школы - семинара по дифракции и распространению волн. - Москва, 7-15 фев. 1993, НИИРФ, 1993,

C.96 - 128.

10. Denisov G.G., Petelm М.1., Vinogradov D.V. Effective Convertion of High Waveguide Modes ю Eigcnwaves of Open Mirror Lines.// 17-th Int. Conf. on Infrared and Millimeter Waves. - Pasadena, California, Dec. 1417, 1992, SPIE 1929, P. 124-J25.

11.A.C. 1665432 СССР МКИ H0IP1/16. Преобразователь волны высшего типа круглого волновода в волну зеркального лучевода./ Виноградов Д.В., Денисов Г.Г., Петелин М.И. - Заявка N 4632681; заявлено 05.01.89.

12. Denisov G.G., Petelin M.I., and Vinogradov D.V. Converter of high -mode of a circular waveguide into the main mode of a mirror line. WO 90/0780 H01P1/16, PCT Gazette, 1990, - V.16 - P. 47 - 49.

13. Виноградов Д.В., Денисов Г.Г., Петелин М.И., Шер Э.М. О критериях адиабатичности нерегулярных волноведупхих структур.// Изв.вузов. Радиофизика. - 1990. - Т.ЗЗ, вып.9. - С. 1098 - 1100.

14. Denisov G.G., Kuftin A.N., Malygin V.I., Venediktov N.P., Vinogradov

D.V. and Zapevalov V.E. 110GHz gyrotron with a built-in high-efficiency converter.// Int. J. of Electronics - 1992. V.72, N.5 and 6. P.1079-1091

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ВОЛН В СВЕРХРАЗМЕРНЫХ ПЛАВНОНЕРЕГУЛЯРНЫХ ВОЛНОВОДАХ СО СКАЧКООБРАЗНЫМ ИЗМЕНЕНИЕМ ПАРАМЕТРОВ ДЕФОРМАЦИИ.

1.1. Распространение волн в нлавнонерсгулярных волноводах. Преобразование сильно и слабо связанных волн.

1.2. Преобразование умеренно связанных волн. Повышение эффективности преобразования волн посредством использования скачкообразного изменения коэффициента связи.

1.3. Преобразование нормальных волн нерегулярных волноводов. "1.4. Волноводные преобразователи типов волн.

1.4.1. Преобразователь волн круглого волновода Нхд в Еод •

1.4.2. Преобразователь волн круглого волновода Но,1 в Ей .

1.4.3. Преобраэова! шс вращающихся волн Н5,] в Н2.2 .

1.5. Применение разработанных волноводных преобразователей.

1.5.1. Черенковсиш СВЧ-усилитель с релятивистским сильноточным электронным пучком

1.5.2. Радар с релятивистским СВЧ-ге 1 кратером,

1.5.3. Радиометр с переключателем типов волн.

ГЛАВА 2. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ВЫСШИХ ВОЛН СВЕРХРАЗМЕРНЫХ ВОЛНОВОДОВ В СОБСТВЕННЫЕ ВОЛНЫ ОТКРЫТЫХ ПЕРЕДАЮЩИХ ЛИНИЙ.

2.1. Собственные волны сверхразмерных волноводов и их лучевое представление.

2.1.1. Связь параметров волнового и лучевого представлений полноводных волн.

2.1.2. Области Бриллтоэна.

2.2. Эффективное согласование сверхразмсрных волноводов с зеркальной линией.

2.2.1. Сверхразмерный волновод и зеркальная линия.

2.2.2. Волноводное описа! ше зеркальной линии передачи.

2.2.3. Адиабатический способ преобразования волн волновода в волну зеркальной линии передачи.

2.2.4. Описание преобразователей методом возмущений. Брэгговские условия.

2.2.5. Трехволновое и двухволновое приближения.

2.2.6. Результаты численного расчета преобразователей.

2.3. Экспериментальное исследование преобразователен высших волн сверхразмсрных волноводов в собственные волны открытых передающих линий.

2.4. 110 ГГц гиротрон со встроенным высокоэффективным преобразователем .

Приложение к главе 2. ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Виноградов Дмитрий Вадимович

ТРАНСФОРМАЦИЯ ВЫСШИХ ВОЛН СВЕРХРАЗМЕРНЫХ ВОЛНОВОДОВ В ВОЛНЫ ПРОСТЕЙШЕЙ СТРУКТУРЫ В МОЩНЫХ СВЧ ПРИБОРАХ

Автореферат

Подписано к печати 26.04.94 г. Формат 60x90 1/16. Бумага писчая Х° 1. Усл. печ. л. 1,13. Усл. кр.-отт. 1,13. Уч.-изд. л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ № 47. Бесплатно.

Отпечатано на ротапринте в Институте прикладной физики РАН, 603600, г. Н. Новгород, ул. Ульянова, 46