Воробйов Г. С., Петровський М. В., Кривець А. С., Цвик. І. Сумський державний університет вул. Римського-Корсакова 2, Суми-40007, Україна тел.: 0542-39-23-72, e-mail: vp@sumdu.edu.ua

Анотація – Наведено результати досліджень резонансних відкритих електродинамічних систем з металодіелектричних структурами (МДС), які можуть бути використані при побудові нових модифікацій підсилювальних і генераторних пристроїв електроніки КВЧ.

I. Вступ

В даний час широке застосування в електроніці КВЧ знаходять різні види радіаційних ефектів при русі електронів уздовж періодичних неоднорідностей. Перспективними в плані використання даних ефектів є різні модифікації відкритих електродинамічних систем з просторово-розвиненими періодичними МДС типу діелектричний шар (резонатор) – стрічкова дифракційна решітка (ДР) [1]. Однак, питання практичного застосування таких структур до теперішнього часу залишається відкритим, що обумовлено специфікою поляризаційних явищ спостерігаються при проходженні нерелятівістского електронного потоку (ЕП) в каналі або в поблизу поверхні діелектрика.

II. Основна частина

Найпростіший тип досліджуваної електродинамічної системи являє собою металевий екран і діелектричний шар, на бічній поверхні якого нанесена стрічкова ДР. Уздовж решітки рухається ЕП, який в залежності від параметрів системи може порушувати різні просторові гармоніки дифракционно-черенковского випромінювання (ДЧІ). Для такої системи розроблені чисельні та експериментальні методи моделювання [2] різних режимів збудження ДЧІ, що дозволяють визначити кількісні співвідношення щільності енергії просторових гармонік випромінювання та оптимізувати параметри електродинамічної системи відповідно до поставленим завданням. Отримано теоретичні та експериментальні залежності відносної щільності енергії гармонік випромінювання від відстані до екрану. Їх аналіз показує, що для мінус першої гармоніки в вакуум, при зміні відстані до екрану, спостерігається резонансна періодичність. При цьому дана гармоніка – протівофазно щодо нульової гармоніки і зрушена по фазі щодо гармоніки з п = -1, випромінюваної в діелектрик.

При моделюванні ДЧІ в обмежених МДС встановлено, що характерним для призм товщиною менше довжини хвилі, є поширення більшої частини енергії в навколишньому просторі. Діелектрик виконує функцію антени, випромінюючої енергію під кутами близькими до її поздовжньої осі.

Для призм з товщиною А> 1 (1 – довжина хвилі випромінювання) починає виконуватися закон повного внутрішнього відображення, і значна частка енергії зосереджена в діелектрику. Кути випромінювання з торця призми збільшуються і наближаються до розрахункових значень, визначених за законами променевої оптики.

Природним переходом від найпростішої резонансної системи, описаної вище, до більш складною, є відкритий резонатор (ОР) з МДС, який утворений сферичним дзеркалом з висновком енергії і плоским дзеркалом з відбивною ДР. Між дзеркалами ОР розташована МДС виконана у вигляді діелектричної призми, на бічну поверхню якої нанесена стрічкова ДР.

В результаті дослідження встановлено, що введення у відкритий резонатор МДС призводить до якісно нових електродинамічних властивостей такої системи: при зміні параметрів МДС можлива реалізація режимів загасання енергії в ОР, збільшення амплітуди коливань і їх добротності, селекції коливань. Виявлені властивості такої системи знаходять пояснення в рамках фізичної моделі ДЧІ для МДС кінцевої товщини [3] і відомої концепції про подання резонансного поля у вигляді кутового спектра плоских хвиль [2]. МДС, як самостійний дисперсійний елемент, здійснюватиме фільтрацію спектра плоских хвиль, змінюючи їх положення в резонансному обсязі. Це обумовлює зміну просторового розподілу полів, порушуваних в ОР типів коливань. Другим чинником, що істотно відрізняє багатозв’язкову систему такого типу від звичайного ОР з ДР, є наявність додаткового випромінювання з МДС, що залежить від хвильових процесів в діелектричної призмі.

Методом експериментального моделювання отримані типові спектри коливань ОР з МДС з фторопласту для різних значень товщини призми А. Їх аналіз показує, що при А «1/4 на частоті / = 74 ГГц спектр коливань ОР з МДС корелює зі спектром коливань базового ОР. Такий режим відповідає однолепестковой діаграмі спрямованості випромінювання з МДС. Для призми з А »1 коливання в ОР практично відсутні, а при А і ЗА – амплітуда їх мала. Зі зменшенням частоти, / = 70 ГГц, властивості ОР з МДС товщиною Ах 1/4 і Ак / l в основному зберігаються. При цьому істотно зростає амплітуда коливань для А «31. Спостережуване загасання коливань в ОР при Ді1 відбувається поблизу значень критичних довжин хвиль, збуджуваного в діелектричному шарі типу хвилі [3]. При цьому полі зосереджується в області МДС-ДР.

Дослідження резонансних кривих ОР з МДС показало, що така система може мати селективними властивостями, що виражаються в зменшенні ширини резонансної кривої і придушенні коливань на бічних частотах.

В цілому, результати досліджень свідчать про можливість застосування МДС для виведення енергії в пристроях типу ЛОВ, а також як

Рис. 1 / Fig. 1

діелектричного резонатора для дифракционно-черенковскіе генераторів. Приклад реалізації таких пристроїв схематично представлений на рис. 1. Пучок

електронів 1 формується гарматою 2 і пропускається в каналі 3, утвореному суміжними поверхнями резонатора 4, на бічну поверхню якого нанесено стрічкова решітка 6, і сповільнює системою 5. Запасена в резонаторі 4 енергія виводиться через хвилевід 7. У разі виконання дифракционно-черенковского генератора для виведення енергії використовується рухоме дзеркало 8 зі щілиною зв’язку 9.

III. Висновок

В роботі наведені результати чисельного й експериментального моделювання дифракційного і черенковского випромінювань в резонансних періодичних металодіелектричних структурах.

Встановлено загальні закономірності хвильових процесів в системі діелектричний шар – стрічкова дифракційна решітка – екран.

Наведено результати досліджень багатозв’язних систем, виконаних у вигляді ОР з МДС. Показано, що така система має якісно новими властивостями, порівняно з ОР без МДС: шляхом зміни товщини діелектрика і значень е можлива реалізація режимів загасання енергії в ОР, або збільшення амплітуди коливань і їх селекції. Дані результати вказують на перспективність використання резонансних відкритих електродинамічних систем з МДС в підсилювальних і генераторних пристроях КВЧ.

IV. Список літератури

[1] Воробйов Г. С., Цвик А. І. Прилади дифракційної електроніки з просторово-розвиненими структурами (огляд) / / BicHHK Сумського державного уиверсітету, 2002. – № 5 (38) -6 (39). – С. 158 – 171.

[2] Г. С. Воробйов, А. С. Кривець, М. В. Петровський,

А. І. Рубан, А. І. Цвик. Моделювання черенковского і дифракційного випромінювань на періодичних металодіелектричних структурах (огляд) / / Вюнік Сумського державного уиверсітету. – 2003. – № 10 (56).-С. 110-130.

[3] Воробйов Г. С. Хвильовий моделювання черенковского і дифракційного випромінювань в просторово обмежених метало-діелектричних структурах / / Радіотехніка: Всеукр. Міжвід. Наук.-техн. СБ – 2000.-Вип.116-С.12-20.

POSSIBLE APPLICATIONS OF PERIODIC METAL-DIELECTRIC STRUCTURES IN EHF ELECTRONICS

Vorobyov G. S., Petrovskiy М. V.,

Krivets A. S., TsvykA. I.

Sumy State University

2      Rymskogo-Korsakova St., Sumy-40007, Ukraine e-mail: vp@sumdu.edu.ua

Abstract – Results of investigating resonant open electrodynamic systems with metal-dielectric structures (MDS) are presented. The obtained data may be used in the design of new versions of EHF amplifier and oscillator devices.

I.  Introduction

Various types of radiation effects generated by electrons moving along periodic heterogeneities have found wide applications in EHF electronics. The application of these effects in various modifications of open electrodynamic systems with spatially developed periodic metal-dielectric structures of a dielectric layer (resonator) – tape diffraction lattice (DL) type looks very promising [1 ].

II.  Main part

The simplest type of the electrodynamic system under investigation represents a metal screen and a dielectric layer with a tape DL on its lateral surface; an electron stream moves along the lattice.

Theoretical and experimental dependences of relative energy density of radiation harmonics on distances from a screen were developed earlier [2]. The simulation of a diffraction- Cerenkov radiation (DCR) in a restricted MDS has revealed that for prisms less than a wavelength thick most of the power is dissipated in the ambient space. For prisms with a A> Л thickness, where Л is the radiation wavelength, the law of complete internal reflection becomes effective, and considerable energy is concentrated in the dielectric.

A natural transition from the elementary resonant system described above to a more composite would comprise an open resonator (OR) with an MDS, which is formed by a spherical mirror with energy removal and a flat mirror having a reflective DL. An MDS in the shape of a dielectric prism with a tape DL on its lateral surface is located between the OR mirrors.

Our research has established that introducing an MDS into the open resonator produces qualitatively new electrodynamic properties in such a system: variations in the MDS parameters enable power attenuation modes in the OR, increased oscillation amplitudes and their higher Q, as well as selective oscillations. As an isolated dispersion element, the MDS provides filtering of plane waves by modifying their position in a resonant volume. This results in varying spatial distribution of the fields of oscillations types excited in the OR. Another factor that makes this type of a multiply connected system quite different from an ordinary OR with a DL is the presence of an additional radiation from the MDS, dependent on ripple processes in the dielectric prism.

III.  Conclusion

The paper presents the results of numerically and experimentally simulating diffraction and Cerenkov radiations in resonant periodic metal-dielectric structures.

General patterns of ripple processes have been established for a dielectric layer – tape diffraction lattice – screen system.

The research into multiply connected systems in the shape of an OR with an MDS is discussed. This system has been shown to offer qualitatively new properties compared to an MDS-less OR: by modifying the dielectric thickness and £ values the modes of power attenuation may be provided in the OR, or, alternatively, oscillations amplitude and their Q may be increased, and selection of oscillations may be implemented. The available data makes the OR with an MDS a promising device in the EHF amplifier and oscillator applications.

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