Когут А. Е., Єременко 3. Е., Філіппов Ю. Ф., Кутузов В. В. Інститут радіофізики та електроніки ім. А. Я. Усикова НАН України 61085, м. Харків, вул. Ак. Проскури, 12 Тел. (0572) 448-593; e-mail: kogut@ire.kharkov.ua

Досліджуються залежності резонансних частот коливань, їх власна добротність від азимутальної координати ер: джерела випромінювання в смузі частот 30-36ГГц.

Для порівняння характеристик коливань і зіставлення отриманих результатів, в роботі досліджувався напівсферичний ДР діаметром D = 60mm (фторопласт), розташований на плоскому металевому дзеркалі.

Щілина зв’язку в металевому дзеркалі досліджуваних ДР орієнтувалася по відношенню до радіуса плоских підстав діелектричних структур таким чином, що в резонаторах порушувалися TM моди. Малий ексцентриситет еліпсоїдального ДР дозволяє у наближенні розглядати його коливання як моди волноводного типу, що існують в сферичних ДР. За шкалою частот резонансні відгуки коливань досліджуваних резонаторів являють собою майже періодичні послідовності з усередненим відстанню між сусідніми резонансами рівними 0,9 ГГц в еліпсоїдальної ДР, і 1,2 ГГц-в напівсферичним резонаторі.

Результати досліджень залежностей резонансної частоти коливань і їх власної добротності показали, що вони мають немонотонний і близький до періодичного характер поведінки, на відміну від спектральних і енергетичних характеристик коливань півсферичного ДР, які не залежать від азимутальної координати джерела в зв’язку з однорідністю форми структури в азимутному напрямку. Цікаво, що азимутальні координати максимумів і мінімумів частоти і добротності збігаються з розташуванням більшої і меншої геометричних осей ДР. Збудження коливань в напрямку найменшою осі ох дозволяє в наближенні розглядати їх як моди діелектричної півсфери, оскільки хвилі ШГ поширюються уздовж внутрішньої поверхні ДР по траєкторіях (волноведущих каналам) з мінімальним зміною їх кривизни (градієнтом кривизни). Збудження коливань в напрямку найбільшої осі оу характеризується найбільшим градієнтом кривизни поверхні, що утворює волноведущих канал на поверхні ДР. Зміна власної добротності супроводжується зміною ширини резонансної кривої коливання. При погіршенні добротності резонансна крива “розпливається”, що в ДР, близьких за своїми властивостями електродинамічних до сферичним резонаторам, може бути викликано двома причинами:

– Зняттям виродження резонансних мод;

-Збільшенням втрат енергії вироджених коливань.

Вплив еліптичності ДР як неоднорідності з розподіленими параметрами на поля вимушених коливань може призвести до зняття їх виродження. Іншими словами зміна напрямку збудження коливань в еліпсоїдальної ДР шляхом зміни азимутальної координати джерела повинно приводити до зміни відстані за шкалою частот між резонансними відгуками мод, що відрізняються значеннями азимутального індексу т. Для посилення передбачуваного ефекту зняття виродження коливань в еліпсоїдальної ДР в поле його коливань вводиться локальна неоднорідності у вигляді отвору на металевому дзеркалі, розташована на протилежній стороні діелектричної структури щодо джерела випромінювання [6].

Слід зазначити, що, як було показано в [6], на відміну від власних коливань кратність виродження вимушених коливань, порушуваних зосередженим джерелом визначається на волноводном переході, освіченим зв’язком джерела випромінювання хвиль з криволінійним діелектричним волноведущих каналом на поверхні ДР. При розташуванні джерела між осями еліпсоїда (ф | = 30 °) і глибині отвори h = 0,5 мм в спектрі еліпсоїдального ДР спостерігається зняття частотного виродження, кратність якого в умовах експерименту дорівнює 2. Зняття виродження здійснюється зі зниженням частоти вищої азимутальної моди з т = 2. Поблизу робочої частоти f = 36 ГГц відстань за шкалою частот між розщепленими модами становить Af = 9 МГц (схематичні осцилограми на рис.2).

Рис. 2. Динаміка спектрів еліпсоїда Fig. 2. Dynamics of ellipsoid spectra

При зміні азимутальної координати джерела величина Af змінюється і при cpi = 75 ° і 255 ° (координаті, якій відповідає поширення хвиль ШГ в ДР по волноведущих каналах з найбільшим градієнтом кривизни) досягає максимального значення Af = 16Mn_ ((рис.26). Навпаки, при розташуванні джерела випромінювання таким чином, що поширення хвиль здійснюється вздовж траєкторій з найменшим градієнтом кривизни однорідної кривизною (ф | = 165 ° і 245 °) видимого розщеплення коливань немає і Af «0 (ріс.2в).

Вимірювання власної добротності коливань можливо при відсутності їх виродження при всіх значеннях cpi джерела. З цією метою вплив локальної неоднорідності на поля коливань посилюється шляхом збільшення глибини отвору в дзеркалі ДР до 1,5 мм. При такій глибині отвори розщеплення мод по азимутальної індексом очевидно навіть при значеннях cpi: 120 ° -200 ° і 290 ° -20 °, яким відповідає збудження хвиль в каналах з найменшим градієнтом кривизни.

На ріс.З графічно відображено залежності резонансної частоти (ріс.За) і власної добротності (ріс.Зб) приведені до їх максимальним значенням для моди з т = 2 на частотах, близьких до 36 ГГц.

Рис. 3 Характеристики моди т = 2 Fig. 3. Characteristics of the m = 2 mode

Видно, що дані залежності мають немонотонний характер, близький до періодичного. Найбільші значення власної добротності реєструються для коливань ШГ, утворених хвилями, що поширюються по хвилеводним каналах з найменшим градієнтом кривизни при ф |-І65 ° і 345 °. Мінімуми добротності, які визначаються найбільшими втратами енергії коливань, спостерігаються при їх порушенні в напрямі більшої осі еліпсоїда, що характеризується найбільшим градієнтом кривизни (ф | = 75 ° і 255 °). Можна припустити, що вплив градієнта кривизни призводить до найбільшого збільшення радіаційних втрат енергії, оскільки втрати в діелектрику близькі до постійних, а омические втрати на дзеркалі ДР малі внаслідок високої провідності металу і малих розмірів плям полів в області джерела і в його відображенні [7]. Перебудова резонансної частоти моди з т = 2 залежить від ф | джерела і пояснюється, як показано в [5], зміною довжини волноведущей каналу. У зв’язку з цим, при фіксованому числі варіацій поля в напрямку поширення хвилі в ДР, змінюється резонансна частота коливань.

Результати вимірювання розподілу полів на поверхні еліпсоїдального ДР показали, що області їх локалізації, також як і в напівсферичним ДР [7], мають форму неоднорідних пасків з звуженнями поблизу металевого дзеркала, в області джерела і в його відображенні на протилежній стороні діелектричної структури відносного джерела, а також розширенням між ними. Ширина паска у найбільш вузькій частини майже не змінюється і близька до розміру широкої стінки збуджуючого хвилеводу 7,2 мм. На периферії розширеній частині ширина паска поля визначається положенням джерела щодо осей еліпсоїда, що пов’язано зі зміною кривизни волноводного каналу. Найбільша ширина паска при цьому змінюється на 8-9%.

Таким чином, в роботі показано, що на відміну від ДР зі сферичною поверхнею, спектральні та енергетичні характеристики вимушених коливань ШГ еліпсоїдального ДР залежать від азимутальної координати джерела випромінювання хвиль, що визначає його положення щодо геометричних осей діелектричної структури. Форма областей локалізації полів коливань ШГ та їх розміри також визначаються азимутальної координатою джерела. Залежність властивостей коливань від вибраного напряму в еліпсоїдальної ДР по відношенню до його геометричним осях призводить до зняття виродження мод резонатора.

1 \ /. Список літератури

1. Брагінський В. Б., Ільченко В. С. II Докл. АН СРСР, 1987. Т. 293. № 6. с. 1358-1361.

2. Когут А. Е., Харківський С. Н., Кутузов В. В., Гоомов П.В. Ill Кримська конф. СВЧ техніка і телекомунікаційні технології Севастополь. Праці конф., 1997, Т.2.

3. Вайнштейн П. А. Відкриті резонатори і відкриті хвилеводи. М.: Сов. радіо, 1966. 475 с.

4. Ishikava Н., Tamaru Н., Miyamo К. / / Journ. Of Am. Opt. Soc.

2000.               V.17. p. 802-804.

5.  Kogut A. II Tech.I Phys. Lett. 2002. V.28, №12. p.1007-1010.

6. Когут A. E., Кутузов В. В., Філіппов Ю. Ф., Харківський С. Н. / / Изв. вузів. Радіоелектроніка. 1997. Т. 40,

№ 2, с. 19-26.

7. Харківський С. Н., Когут А. Е., Солодовник В. А. / / Листи до ЖТФ. 1995. Т.21. В.18. С. 38-42.

WHISPERING GALLERY MODES OF SMALL-ECCENTRICITY ELLIPSOID DIELECTRIC RESONATORS

Kogut A. Ye., Yeremenko Z. Ye., Filippov Yu. F., Kutuzov V. V.

Usikov Institute of Radiophysics and Electronics, NASU 12 Akademika Proskury Str., Kharkiv, Ukraine, 61085 e-mail: kogut@ire.kharkov.ua

Abstract The influence of defects in spherical forms of semispherical dielectric resonators (DRs) on their oscillation frequency, Q-factor and field distribution has been studied in the present paper. It is shown that even minor deviations (~1%) in spherical forms affect the resonator EM characteristics. The frequency splitting and dependence of spectrum parameters on the azimuth angle in semispherical dielectric resonators with small deviation in spherical forms has been observed experimentally.

I.   Introduction

Nowadays high-Q resonant systems based on DRs with whispering gallery (WG) oscillations are widely used in highstability oscillators and filters for a mm-wave band. They may also be used as measurement cells for dielectrometers. However, possible production defects in the shape of semispherical DRs may affect spectrum characteristics of both the DRs and devices based on them. Studying the influence of these deviations is the topic of the present paper.

II.   Main part

The experimental study has been carried out with a DR in the shape of a one-half of a triaxial ellipsoid with the axes D-i, D2=a1D1 and D3=a2D1 (Сі = 1 .006; a2=1.013). The Teflon DR was placed on a plane metal mirror. The excitation of oscillations in the DR occurred along the plane metal surface. The origin of EM oscillations was at the open edge of a hollow metal waveguide. The dependence of resonant frequencies and Q-factor on the azimuth angle of oscillations origin in the 30-35GHz range was studied. It was observed experimentally that the frequency and Q-factor dependence on the azimuth angle has a quasi-periodic nature compared to the same values for a semispherical DR. It is interesting to note that the maxima and minima of frequency and Q-factor values are located at the larger and smaller geometrical axes of the semi-ellipsoid.

III.   Conclusion

It has been shown that the spectrum and power characteristics of induced WG oscillations in a semi-ellipsoid DR depend on the azimuth angle of the oscillation source coordinate. The shape of the EM field localization and its size also depend on the azimuth angle of the source. The dependence of the DR spectrum properties on a selected direction in a semi-ellipsoid with respect to its geometrical axes results in the splitting of resonance modes.

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