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


Анотація Наведено результати експериментального дослідження багаторезонаторний електродинамічної системи зі сферичними дзеркалами в міліметровому діапазоні. Отримано залежності коефіцієнта передачі від частоти і відстані між дзеркалами, досліджено розподілу полів збуджуються типів коливань, розраховані значення добротності.

I. Вступ

Одним з широко використовуваних і перспективних електродинамічних елементів в СВЧ-діапазоні є багаторезонаторні системи [1], вивчення різноманітних модифікацій яких представляє безперечний інтерес.

При проведенні досліджень використовувався автоматизований комплекс, що дозволяє з застосуванням персонального комп’ютера і ряду експериментальних методик дослідити в міліметровому діапазоні спектр, розподіл поля збуджуються типів коливань, вимірювати добротність [2].

II. Основна частина

Розглянемо результати дослідження електродинамічної системи, що складається з послідовно розташованих і дифракционно пов’язаних дводзеркальні відкритих резонаторів (ВР) з дзеркалами сферичної форми. Система представляла собою сукупність двох мідних блоків, на яких шляхом механічної обробки виготовлялася ланцюжок розташованих поруч дзеркал (рис.1).

Рис. 1. Зовнішній вигляд системи і схема її дослідження Fig. 1. Appearance of the system and research setup

Як елементи зв’язку із зовнішніми трактами використовувалися малі центральні отвори в дзеркалах, при цьому за допомогою такого отвору відбувалося порушена від зовнішнього генератора одного з ОР, а через аналогічне отвір в дзеркалі одного з сусідніх пов’язаних ОР сигнал надходив на аналізує апаратуру. Один з блоків дзеркал досліджуваної системи був нерухомо закріплений, другий блок дзеркал розміщувався на столику з мікрометричними подачами, що забезпечують переміщення перпендикулярно оптичної осі системи. Пов’язані ОР зі сферичними дзеркалами досліджувалися при послідовному збільшенні кількості порушуваних ОР: спочатку розглядався одиночний ОР, потім система з двох ОР, трьох і т.д. В системі з восьми сферичних дзеркал з радіусом кривизни 7,7 мм і апертурою 14мм вдалося порушити коливання аж до сьомого резонатора. На рис. 2 представлений спектр для другого резонатора.

Рис. 2. Спектр системи для другого резонатора. Fig. 2. Spectrum of the system for the second resonator

Графік отриманий при зміні відстані L між блоками дзеркал і фіксованій частоті збудження (f = 75rrц). При цьому, як правило, виявлялася еквідистантно порушуваних в спектрі типів коливань. Слід також відзначити, що максимальну амплітуду коливань вдається спостерігати лише в першому ОР до відстані И2мм. Цьому L відповідає концентрична геометрія резонаторів, а при збільшенні відстані між дзеркалами резонатор потрапляє в нестійку область, що відповідає значному зростанню дифракційних втрат. З іншого боку, частина енергії, що вийшла з першого резонатора, може потрапляти в сусідній ОР і забезпечувати збудження в ньому коливань. Однак, як показує експеримент, для отримання досить добротних коливань з хорошою амплітудою відстань L між дзеркалами має бути невелика. Аналізуючи частотні спектри системи при L = 1mm для випадку порушення одного, двох і трьох ОР, можна сказати, що система не збуджувалася на частотах менше 64 Ггц, що пояснюється позамежним режимом роботи отвори зв’язку на низьких частотах. Значне збільшення добротності (від значень 100-200 до 400-1000) при переході від одного резонатора до двох можна пояснити розрідженням спектру, внаслідок чого залишилися типи коливань володіють меншими втратами. Подальше збільшення кількості резонаторів призводить лише до збільшення дифракційних втрат, що пояснює подальше зниження добротності (до значень 300-700).

Розглянемо більш докладно процес передачі енергії між сусідніми резонаторами, аналізуючи розподілу полів в системі. Для цього розглянемо в якості прикладу тип коливання 1 у другому резонаторі (див. рис. 2). Результати дослідження його розподілу поля наведені на рис. 3.

Рис. 3. Розподіл поля збуджується типу коливань

Fig. 3. Field distribution of the excited oscillation type

Цей неосновної тип коливання ефективно збуджується в системі і має значну амплітуду поля поблизу країв дзеркал. Пунктирними лініями на малюнку показані центральна вісь симетрії і краю дзеркал ОР.

Розглянемо процес взаємодії сусідніх ОР в системі. Зі збільшенням відстані між дзеркалами зовнішня каустику відповідного типу коливань досягає краю дзеркала; в цьому випадку основну роль у формуванні коливань починає грати дифракційна зв’язок на краях дзеркал поруч розташованих ОР. При цьому зростають дифракційні втрати даного коливання, а частина излученной за межі ОР енергії потрапляє в сусідній резонатор. Так як поле вищих типів коливань локалізовано ближче до країв дзеркал, ці типи коливань з великими дифракційними втратами ефективніше збуджуються в сусідніх ОР.

I. Висновок

Таким чином, для багаторезонаторний електродинамічної системи отримані спектральні характеристики, розраховані значення добротності та виявлено особливості збудження типів коливань.

II. Список літератури

[1]  Аксенчік А. В.. Кураєв А. А.. Навроцький А. А..

Синіцин А. К. Оптимізація ЛБВ-0 на нерегулярної ланцюжку пов’язаних резонаторів. Електромагнітні хвилі та електронні системи, т. 4, № 2, 2000 р., с. 28-34.

[2] Афонін Д. Г.. Малишкін А. К. Автоматизовані методики досліджень резонансних систем і властивостей речовини. – В кн.: 10-я Міжнародна Кримська конференція «СВЧ техніка і телекомунікаційні технології »(КриМіКо’2000). Матеріали конференції [Севастополь, 11-15 вересня 2000 р.]. – Севастополь: Вебер,

2000, с. 513-514. ISBN 966-572-048-1,

IEEE Cat. Number 00ЕХ415.

SPECTRAL CHARACTERISTICS OF MULTICAVITY SYSTEM WITH SPHERICAL MIRRORS

Afonin D. G., Malyshkin A. K.

Physics Department, Moscow State University

Vorobyovy Gory, Moscow, GSP-2, Russia, 119992 phone +7 (95) 9392094, e-mail: afonin@phys.msu.su

Abstract The results of experimental research into a mmwave multicavity electrodynamic system with spherical mirrors are presented. Dependences of transfer ratio on the frequency and distance between the mirrors have been obtained; field distributions of excited oscillation types have been investigated, Q-factor has been calculated.

I.   Introduction

One of the most widely used and promising microwave electrodynamic elements are multicavity systems [1] whose varieties present an interesting subject for studies. A computerized system has been used in this research which allows with the aid of a PC and certain experimental techniques for the investigation in the mm-range of the spectrum and the field distribution of excited oscillation types, as well as for the Q-factor measurements [2].

II.   Main part

Consider the research of an electrodynamic system comprising located in series and diffraction-connected two-mirror open resonators (ORs) with spherical mirrors. The system represented the combination of two copper blocks on which a chain of mirrors positioned side by side (Fig. 1) was fabricated.

In a system comprising eight spherical mirrors with the curvature radius of 7.7mm and the 14mm aperture, oscillations up to the seventh resonator could be excited. In Fig. 2 the spectrum of the second resonator is shown. The diagram has been obtained by varying the distance L between blocks of mirrors at the fixed excitation frequency (f=75GHz). One should note that the maximum amplitude of oscillations could be observed only with the first OR up to the distance L«2mm. This is due to the concentric geometry of resonators corresponding to the value of L, while with the increasing distance between the mirrors the resonator moves into an unstable area, which corresponds to a significant growth of diffraction losses. On the other hand, the portion of the energy emerging from the first resonator may penetrate into the adjacent OR and excite oscillations there. However, as the experiment has shown, the distance between the mirrors should be small enough to obtain oscillations of sufficient quality and adequate amplitude.

When analyzing the frequency spectra at L=1mm in cases of exciting one, two and three ORs, one may say that the system has not been excited at frequencies below 64GHz, which is explained by a below-cutoff operational mode of the coupling hole at low frequencies. Significant growth of Q-factor (from the values of 100-200 to 400-1000) during the switch from one resonator to two may be explained by the spectrum rarefication resulting in smaller losses for the remaining types of oscillations. A further increase in the number of resonators results only in growing diffraction losses, which explains the subsequent decrease of Q-factor (down to values 300-700).

Consider in greater detail the process of energy transfer between the adjacent resonators by analysing field distributions in the system. For this purpose we take as an example Type 1 oscillation in the second resonator (Fig. 2). Results of investigating its field distribution are shown in Fig. 3. This minor type of oscillations is efficiently excited in the system and has a significant field amplitude close to the mirror edges. Dashed lines in the figure show the central axis of symmetry and edges of the OR mirrors. Consider the interaction between the adjacent ORs in the system. With the increasing distance between the mirrors the external caustic surface of the corresponding oscillation type reaches the edge of the mirror. Here the diffraction coupling at the mirror edges of adjacent ORs begins to dominate in the generation of oscillations. At the same time, diffraction losses of the given oscillation grow and the portion of the energy emitted outside the OR boundaries gets into an adjacent resonator. Since the field of higher oscillation types is located closer to the mirror edges, these types of oscillations having big diffraction losses are more efficiently excited in adjacent ORs.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2003р.