Воробйов Г. С., Кривець А. С., Петровський М. В.

Сумський державний університет вул. Римського-Корсакова 2, Суми-40007, Україна тел.: 0542-39-23-72, e-mail: vp@sumdu.edu.ua Шматько А. А.

Харківський національний університет пл. Свободи 4, Харків-310007, Україна тел.: 0572-45-71-33, e-mail: alexandr.a.shmatko @ univer.kharkov.ua

Анотація – У роботі теоретично та експериментально досліджена електродинамічна система підсилювача на ефекті Сміта-Парселла, що містить металодіелектричних шар і періодичну структуру. Розглянуто вплив основних параметрів системи на електронноволновие процеси у відкритому хвилеводі. Встановлено можливість керування хвилеводними характеристиками шляхом зміни товщини діелектричного шару.

I. Вступ

Останнім часом значна увага приділяється питанням створення нових модифікацій нерелятивістських генераторів і підсилювачів міліметрового та субміліметрового діапазонів хвиль, що використовують дифракційне (Сміта-Парселла) і Черенковськоє випромінювання [1, 2]. Зокрема, в роботах [3, 4] досліджена модель підсилювача на базі двухзеркальной відкритого хвилеводу (ОВ), збуджуваного об’ємними хвилями дифракційного випромінювання. У даній роботі теоретично і методом експериментального моделювання досліджена електродинамічна система підсилювача на ефекті Сміта-Парселла, утворена паралельно розташованими періодичної металевої та металодіелектричних структурами.

II. Основна частина

Відкритий хвилевід досліджуваної системи утворений періодичної структурою типу «гребінка» і металодіелектричних шаром (МДС) товщиною А з діелектричною проникністю е. Між періодичної структурою і МДС розташовувався розподілений джерело випромінювання: в теоретичній моделі

– електронний потік (ЕП), при експериментальному моделюванні – діелектричний хвилевід (ДВ). Детальний опис теоретичної моделі наведено в [5], а методика експерименту в [6].

Теоретичні дослідження показали, що в обсязі ОВ можуть поширюватися: поверхневі хвилі періодичної структури, об’ємні хвилі в просторі між «гребінкою» і МДС, а також об’ємні хвилі безпосередньо в МДС. Встановлено можливість взаємодії об’ємних хвиль двох типів з хвилями просторового заряду ЕП, що вказує на перспективність використання МДС з метою підвищення багатофункціональності системи та ефективності взаємодії ЕП з полем електродинамічної структури реальних підсилювачів. Змінюючи параметри періодичної структури, діелектричну проникність шару і відстань між дзеркалами можна управляти кількістю хвиль в ОВ, змінювати умови їх розповсюдження: реалізувати режими як поверхневих так і об’ємних хвиль. Так, на рис.1 показані залежності поздовжнього хвильового числа Re / і і інкремента

наростання дифракційної гармоніки 11m / / 1 від відносної швидкості ЕП (JJ) для різних нормованих до періоду структури відстаней між дзеркалами {% = 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 25 графіки 1-8, відповідно ).

Рис.1 Fig. 1

Як видно з залежностей, криві 1 (х = 8) характеризують хвилю з Re / і близьким до 0, що відповідає куту випромінювання порядку л / 2. Збільшення х со_ супроводжується зменшенням кута випромінювання та збільшенням Re / і, що в граничному випадку характерно переходу об’ємних хвиль у поверхневі.

При експериментальному моделюванні параметри системи ДР-ДВ знаходилися з умови реалізації режиму формування об’ємної хвилі в ОВ [1]. Дослідження проводилися в діапазоні частот f = 30-37ГГц для МДС з е = 2.

Система умовно розбивалася на три взаємопов’язаних області: ДВ – формувач поверхневої хвилі (джерело випромінювання); ДР – перетворювач поверхневої хвилі ДВ в об’ємну; МДС – перетворювач поверхневої хвилі ДВ в об’ємну для діелектричного шару. При якісному аналізі формування полів в МДС використовувалася концепція парціальних хвиль, згідно з якою в шарі присутні дві хвилі: порушувана випромінюванням від системи ДР-ДВ і тунельованого поверхнева хвиля ДВ в діелектрик (модельний аналог черенковского випромінювання).

Встановлено, що в порівнянні з системою без металодіелектричних шару хвильові процеси в ОВ значно ускладнюються. Характерним для діелектричного шару завтовшки А <1 (1 – довжина хвилі випромінювання) є поширення більшої частини енергії в навколишньому просторі. При цьому умова одномодового виконується при узгодженні фазової швидкості хвилі в діелектрику зі швидкістю в навколишньому просторі [7]. Діелектричний шар виконує функцію антени, випромінюючої енергію під кутами, близькими до поздовжньої осі ОВ. Для діелектричного шару з А> 1 виконується закон повного внутрішнього відображення, і значна частка енергії зосереджується в діелектрику. При нанесенні на діелектричний шар металевого екрану випромінювання відбивається і надходить в обсяг ОВ, збуджуючи уздовж його осі хвилю. Таким чином, в системі поширюються дві об’ємні хвилі (в МДС і в обсязі ОВ), які пов’язані між собою через поверхневу хвилю ДВ.

Дослідження хвилеводних характеристик систем ДВ-діелектричний шар, ДВ-ДР-діелекгріческій шар і загальної системи ОВ показало, що КСВ елементів ОВ і системи в цілому лежать в інтервалі значень 1.05 +1.4, що значно відрізняється від ОВ без діелектричного шару, де КСВ досягав величини порядку 2-0 за рахунок резонансність системи. При цьому для А> Л спостерігається зростання значень коефіцієнта проходження (Кп), При зміні частоти, в порівнянні з аналогічною системою без МДС. Дане явище обумовлено тим, що при А «1 велика частина енергії виходить з діелектрика і поширюється в ОВ. Спостережувані максимуми і мінімуми в залежності Доп від частоти обумовлені синфазность і протифазі-ністю двох хвиль, що поширюються в ОВ.

I. Висновок

В роботі показана перспективність використання МДС для підвищення ефективності взаємодії ЕП з полем електродинамічної системи ОВ. Експериментально встановлено можливість зменшення резонансних властивостей відкритого хвилеводу за рахунок введення в нього металодіелектричних шару. При цьому, шляхом зміни товщини діелектричного шару можна управляти хвильовими процесами в досліджуваній системі.

II. Список літератури

[1] Генератори дифракційного випромінювання / Под ред.

В. П. Шестопалова; АН УРСР. Ін-т радіофізики та електроніки / / – Київ: Наук, думка, 1991. – 320 с.

[2] Г. С. Воробйов, А. І. Цвик. Прилади дифракційної електроніки з просторово-розвиненими структурами (об-зор) / / Вісник СумДУ, – 2002. – № 5 (38) – № 6 (39). – С. 158-171.

[3] Воробйов Г. С., Рубан А. І., Шматько А. А. Дослідження електродинамічної системи підсилювача КВЧ на ефекті Сміта-Парселла / / Матеріали 8-ї Міжнародної Кримської конф. «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології ». -! ‘.! .-Севастополь: СГТУ, – 1998,-С. 214-216.

[4] Г. С. Воробйов, А. I. Рубан, О. С. Кривець, О. О. Шматько. Пщсілення електромагитніх хвиль на ефект1 СМП ^ а-Парселла / / Ф1зічній зб1рнік HTLU. – 2001.-Т.4,-с.323-330.

[5] Збудження коливань в підсилювачі на ефекті Сміта-Парселла з метало-діелектричним шаром /

Г. С. Воробйов, А. С. Кривець, А. А. Шматько, Е. М. Хуторян / / Вісник СумГУ.-2002. – № 5 (38) -6 (39).-С.110-116.

[6] Воробйов Г. С., Кривець А. С., Петровський М. В. Експериментальне моделювання хвильових процесів в підсилювачі на ефекті Сміта-Парселла / / Вісник СумДУ, –

2002. – № 5 (38) – № 6 (39). – С.117-124.

[7] Хвильовий моделювання черенковского і дифракційного випромінювань в просторово обмежених металодіелектричних структурах / Г. С. Воробйов / / Радіотехніка.-2000, № 116, – С.12-20.

WAVE-LIKE PROCESSES IN SMITH-PARSEL AMPLIFIER WITH THE METALL-DIELECTRIC LAYER

Vorobjov G. S. , Krivets A. S. , Petrovsky М. V.

Sumy State University

1      Rymski-Korsakov St., Sumy-40007, Ukraine e-mail: vp@ssu.sumy.ua

Shmatko A. A.

Kharkov State University 4 Svoboda St., Kharkov-310007, Ukraine e-mail: alexandr.a.shmatko@univer.kharkov.ua

Abstract – Amplifier electrodynamics system which consists of periodic structure and metal-dielectric layer and based on Smith-Parcel effect has being theoretically and experimentally investigated.

I.  Introduction

Recently considerable attention has been paid to creation of a new generators and amplifiers modifications which used diffraction (Smith-Parcel) and Cerencov radiations [1,2]. In particular amplifier model based on two mirrors open wave-guide (OW) stimulated by diffraction volume waves radiation were investigated in [3, 4]. Availability of such system was performed.

II.  Main part

The open wave-guide of investigated system was formed by periodic structure grating type and metal-dielectric layer (MDL) with thickness A and permittivity of MDL – e. The distributed source of radiation (in theory – electron beam (EB), in experiment – dielectric wave-guide (DW)) was situated batwing periodic structure and MDL. Theoretical model was described in

[4] and experimental technique – in [6].

The opportunity of volume wave’s amplification which propagate in MDL and periodical structure-MDL gap was performed by theoretical investigations. Influence of basic electrodynamics parameters of OW-system on waves propagation conditions and on operating mode selection was shown.

Experimental investigations were carried out in frequency range f= 30 -37 GHz. Parameters of the OW were choose with a view of volume wave formation [1].

The space characters experimental researchers by the method of moving antenna [1, 5] showed that for A< 1 (,1- radiation wave length) energy mostly expend in environment. In the same time, one-mode conditions are executed when the phase velocities waves in dielectric and in environment are agreed [7]. The dielectric layer did antenna function and radiated energy under angle which near with OW longitudinal axis. For A> A principle of full inside reflection executed and dig part of energy concentrate inside of dielectric.

Exploration of wave behaviors of OW systems and its separate parts has shown that standing-wave ratio of OW elements and OW at all are about 1.05-1.4, that differ from OW without dielectric when standing-wave ratio achieved 2.0 as resonance ones. Increasing of transmission coefficient in case of A~ A when frequency is changing indicates that most part of energy leave dielectric layer. Increasing of dielectric thickness the most part of energy concentrate in dielectric (A = 4A) and consequently decreasing of DW with MDL union and transmission coefficients for OW elements.

I.     Conclusion

In this paper, availability of MDL employment and possibility of OW resonance properties decreasing introducing MDL were shown. Dielectric layer thickness verifying we may increase and decrease unions between DW and speeded waves. This information is useful for the practical realisation of new type devices EHF range.

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