Афонін Д. Г., Малишкін А. К. Фізичний факультет МГУ ім. М. В. Ломоносова ГСП-2, Ленінські Гери, Москва – 119992, Росія Тел. (095) 939-2094, e-mail: afonin@phys.msu.su

Анотація – Робота містить результати експериментальних досліджень електродинамічної системи,, що складається з двох металевих блоків пов’язаних кільцевих резонаторів. В експерименті використана автоматизована установка, розроблена для вивчення таких систем в міліметровому діапазоні довжин хвиль. В результаті отримані графічні зображення спектральних характеристик, обчислені значення добротності збуджуються типів коливань.

I. Вступ

В задачах про взаємодію електромагнітного поля з речовиною (потоком електронів) основну роль відіграє структура поля, для формування якої використовуються відповідні електродинамічні системи. У міліметровому і субміліметровому діапазонах в якості таких систем використовуються відкриті і закриті резонатори, що мають розміри, що перевищують робочу довжину хвилі. Принцип каскадного з’єднання резонаторів дозволяє збільшувати ефективність взаємодії електромагнітного поля з електронами і створювати генератори та підсилювачі НВЧ-діапазону. Подальші дослідження нових типів резонансних систем дозволяють оцінити перспективи їх використання. У зв’язку з цим електродинамічні характеристики таких пов’язаних багаторезонаторних систем (частотний спектр, розподілу поля і добротність типів коливань) представляють безсумнівний інтерес [1].

Рис. 2. Зображення спектра системи.

II. Основна частина

Дана робота присвячена дослідженню в міліметровому діапазоні електродинамічної системи, зображеної на рис. 1. Досліджуваний зразок

Рис. 1. Досліджувана система.

Fig. 1. System to be studied

являє собою дві однакові структури, виготовлені з міді. Усередині кожної і них розташована періодична система, що складається з півколіна-цевих резонаторів прямокутного поперечного перерізу. Збудження коливань в системі та виведення енергії здійснювалися в поперечному напрямку через отвори зв’язку в резонаторах. Один з блоків резонаторів мав можливість переміщатися уздовж осі системи, в результаті чого відбувалося порушення одного, двох, трьох і т. д. кільцевих резонаторів. Змінюючи відстань L між блоками структури, можна було міняти і аналізувати умови резонансу в пов’язаної системі.

У процесі дослідження використана автоматизована експериментальна установка, призначена для вивчення резонансних систем в міліметровому діапазоні довжин хвиль [2]. Використання комплексних комп’ютерних методик дозволяє представляти електродинамічні характеристики досліджуваної системи в різній графічній формі.

Система ефективно збуджувалася на довжині хвилі Х = 2 мм навіть при значному розсуванні резонаторних блоків. Для випадку одного кільцевого резонатора залежність коефіцієнта передачі від відстані між блоками (L) в условнографіческой формі представлена ​​на рис. 2. З малюнка видно, що спектр пов’язаних резонаторів – послідовність типів коливань, що збуджуються при зміні L, швидко розріджується при збільшенні L; потім збуджувався лише один поперечний тип коливань.

Fig. 2. Image of the system spectrum

Максимальне значення добротності коливань в системі досягало величини 103, З ростом L в результаті зменшуючись на порядок. Таке падіння добротності пояснюється зростанням дифракційних втрат, в тому числі і на збільшення зв’язку між окремими резонаторами.

При переході в більш довгохвильовій діапазон з X = 4н-6 мм (53н-78ГГц) система збуджувалася вже не так ефективно. Частотний спектр системи, що дозволяє спостерігати форму резонансних кривих коливань, представлений на рис. 3. В цьому випадку коефіцієнт передачі сигналу невисокий; на малюнку стають помітні шуми, проте максимальна добротність залишається на рівні 103.

Рис. 3. Зображення спектра системи.

Fig. 3. Image of the system spectrum

Комбінуючи різні види вимірювань, установка дозволяє отримувати і більш наочний вид спектра системи – тривимірне кольорове зображення, представлене в якості прикладу на рис. 4. В цьому випадку можна одночасно аналізувати залежність коефіцієнта передачі від двох параметрів-частоти і відстані між частинами системи.

Рис. 4. Тривимірне зображення спектра системи. Fig. 4. 3D image of the system spectrum

III. Висновок

Таким чином, в роботі наведені результати дослідження електродинамічної системи з пов’язаними кільцевими резонаторами і представлені наочні зображення спектральних характеристик такої системи.

IV. Список літератури

[1] Іванніков В. І., Черноусов Ю. Д., Шеболаев І. В. “Властивості пов’язаних резонаторів”. Радіотехніка та електроніка, N2, 2000 р., с. 180.

[2] Афонін Д. Г., Малишкін А. К. “Автоматизована установка з керуванням частотою для дослідження резонансних систем в міліметровому діапазоні”. Прилади й техніка експерименту, 1999, с.81-85.

ELECTRODYNAMIC SYSTEM WITH COUPLED RING-SHAPED RESONATORS

Afonin D. G., Malyshkin A. K.

Faculty of Physics, Moscow State University

GSP-2, Leninskie Gory, Moscow – 119992, Russia

Tel.: (095)939-2094, e-mail: afonin@phys.msu.su

Abstract – This paper contains the results of experimental investigations of the electrodynamic system that consists of two metallic blocks of coupled ring-shaped resonators. The automatic setup developed for investigations of such systems was used in experiments. As a result, graphic images of spectral characteristics were obtained, and the Q-factor values were calculated for excited oscillation types.

I.  Introduction

In the problem of the electromagnetic field interaction with the material (electron beam) the structure of the field plays important role. For the formation of this structure corresponding electromagnetic systems are used. In millimeter and submillimeter bands open and closer resonators are used, with dimensions larger than the working wavelength. The principle of cascade combination of resonators allows increasing the effectiveness of the electromagnetic field interaction with the electrons and creating generators and amplifiers of UHF band. Further investigations of new type resonance systems allow estimating the perspectives of their use.

II.  Main part

This work is devoted to the investigations in millimeter wave band of electrodynamic system, presented at Fig. 1. The sample under investigation represents two identical structures made of copper. There is a periodic structure made of semi-ring resonators of rectangular cross-section inside each of them. Changing the distance L between structure blocks, one can analyze the resonance conditions in the coupled system.

In the investigation process the automatic setup was used, developed for investigations of resonance systems in the millimeter wave band [2]. Using of complex computer methods allows presenting electrodynamic characteristics of the system under study in different graphical form.

The system was effectively excited at the wavelength 1=2 mm even at considerable moving of the resonance blocks. For the case of one ring-shaped resonator, the dependence of the transmission coefficient on the distance between blocks (L) is presented at Fig.2 in conditionally graphical form. It is seen from the figure, that the spectrum of the coupled resonators is the consecution of oscillation types, excited at changing of L, rarefies rapidly with increasing L; then only one transverse oscillation type was excited.

The maximum value of the oscillations Q-factor in the system reached 103, and finally decreased by the order of magnitude while L increased. This fall of the Q-factor is explained by the diffraction losses growth, also for the increasing of coupling between single resonators.

At changing to more long-wave band with Х = 4н-6 mm (53 – ^ 78 GHz) the system was excited in not so effective way. The frequency spectrum of the system, that allows observing the form of oscillation resonance curves, is presented at Fig. 3. In this case the signal transmission coefficient is not high; the noise becomes visible in the figure, although the value of the Q- factor remains around 103.

By combination of different types of measurements, the setup also allows obtaining more pictorial image of the system spectrum – the 3D color picture that is presented as an example at Fig. 4. In this case one can analyze the transmission coefficient dependence on two parameters – the frequency and the distance between parts of the system.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології»