Высшие типы колебаний в открытом резонаторе с отрезком круглого волновода

Предмет и цель работы: Исследование эффективности возбуждения волны TE01 в отрезке круглого волновода, размещенного в центре одного из зеркал открытого резонатора, с помощью высшего колебания TEM30q (в функциях Эрмита–Гаусса) и вырожденного колебания TEM*11q....

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2019
Автори:	Ильченко, M.E., Kузьмичев, И.K., Нарытник, T.Н., Денбновецкий, С.В., Mай, A.В.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Радіоастрономічний інститут НАН України 2019
Назва видання:	Радіофізика і радіоастрономія
Теми:	Антени, хвилеводи і квазіоптична техніка
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/167762
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Высшие типы колебаний в открытом резонаторе с отрезком круглого волновода / M.E. Ильченко, И.K. Kузьмичев, T.Н. Нарытник, С.В. Денбновецкий, A.В. Mай // Радіофізика і радіоастрономія. — 2019. — Т. 24, № 3. — С. 218-226. — Бібліогр.: 13 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-167762
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1677622020-04-09T01:26:20Z Высшие типы колебаний в открытом резонаторе с отрезком круглого волновода Ильченко, M.E. Kузьмичев, И.K. Нарытник, T.Н. Денбновецкий, С.В. Mай, A.В. Антени, хвилеводи і квазіоптична техніка Предмет и цель работы: Исследование эффективности возбуждения волны TE01 в отрезке круглого волновода, размещенного в центре одного из зеркал открытого резонатора, с помощью высшего колебания TEM30q (в функциях Эрмита–Гаусса) и вырожденного колебания TEM11q. Предмет і мета роботи: Дослідження ефективності збудження хвилі TE01 у відрізку круглого хвилеводу, розташованого в центрі одного з дзеркал відкритого резонатора, за допомогою вищого коливання TEM30q (у функціях Ерміта–Гаусса) і виродженого коливання колебания TEM11q. Purpose: Study of the TE01 wave excitation efficiency in a segment of the circular waveguide located in the center of one of the mirrors of the open resonator with the help of the higher order mode TEM30q (in the Hermite-Gauss functions) and the degenerate mode TEM*11q. 2019 Article Высшие типы колебаний в открытом резонаторе с отрезком круглого волновода / M.E. Ильченко, И.K. Kузьмичев, T.Н. Нарытник, С.В. Денбновецкий, A.В. Mай // Радіофізика і радіоастрономія. — 2019. — Т. 24, № 3. — С. 218-226. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. 1027-9636 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/167762 621.375.4 PACS number: 07.57.-c DOI: https://doi.org/10.15407/rpra24.03.218 ru Радіофізика і радіоастрономія Радіоастрономічний інститут НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Антени, хвилеводи і квазіоптична техніка Антени, хвилеводи і квазіоптична техніка
spellingShingle	Антени, хвилеводи і квазіоптична техніка Антени, хвилеводи і квазіоптична техніка Ильченко, M.E. Kузьмичев, И.K. Нарытник, T.Н. Денбновецкий, С.В. Mай, A.В. Высшие типы колебаний в открытом резонаторе с отрезком круглого волновода Радіофізика і радіоастрономія
description	Предмет и цель работы: Исследование эффективности возбуждения волны TE01 в отрезке круглого волновода, размещенного в центре одного из зеркал открытого резонатора, с помощью высшего колебания TEM30q (в функциях Эрмита–Гаусса) и вырожденного колебания TEM*11q.
format	Article
author	Ильченко, M.E. Kузьмичев, И.K. Нарытник, T.Н. Денбновецкий, С.В. Mай, A.В.
author_facet	Ильченко, M.E. Kузьмичев, И.K. Нарытник, T.Н. Денбновецкий, С.В. Mай, A.В.
author_sort	Ильченко, M.E.
title	Высшие типы колебаний в открытом резонаторе с отрезком круглого волновода
title_short	Высшие типы колебаний в открытом резонаторе с отрезком круглого волновода
title_full	Высшие типы колебаний в открытом резонаторе с отрезком круглого волновода
title_fullStr	Высшие типы колебаний в открытом резонаторе с отрезком круглого волновода
title_full_unstemmed	Высшие типы колебаний в открытом резонаторе с отрезком круглого волновода
title_sort	высшие типы колебаний в открытом резонаторе с отрезком круглого волновода
publisher	Радіоастрономічний інститут НАН України
publishDate	2019
topic_facet	Антени, хвилеводи і квазіоптична техніка
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/167762
citation_txt	Высшие типы колебаний в открытом резонаторе с отрезком круглого волновода / M.E. Ильченко, И.K. Kузьмичев, T.Н. Нарытник, С.В. Денбновецкий, A.В. Mай // Радіофізика і радіоастрономія. — 2019. — Т. 24, № 3. — С. 218-226. — Бібліогр.: 13 назв. — рос.
series	Радіофізика і радіоастрономія
work_keys_str_mv	AT ilʹčenkome vysšietipykolebanijvotkrytomrezonatoresotrezkomkruglogovolnovoda AT kuzʹmičevik vysšietipykolebanijvotkrytomrezonatoresotrezkomkruglogovolnovoda AT narytniktn vysšietipykolebanijvotkrytomrezonatoresotrezkomkruglogovolnovoda AT denbnoveckijsv vysšietipykolebanijvotkrytomrezonatoresotrezkomkruglogovolnovoda AT majav vysšietipykolebanijvotkrytomrezonatoresotrezkomkruglogovolnovoda
first_indexed	2025-07-15T01:29:04Z
last_indexed	2025-07-15T01:29:04Z
_version_	1837674487460397056
fulltext	ISSN 1027-9636. Радіофізика і радіоастрономія. Т. 24, № 3, 2019218 Радіофізика і радіоастрономія. 2019, Т. 24, № 3, c. 218–226 ÀÍÒÅÍÈ, ÕÂÈËÅÂÎÄÈ ² ÊÂÀÇ²ÎÏÒÈ×ÍÀ ÒÅÕÍ²ÊÀ M. E. ИЛЬЧЕНКО 1, И. K. KУЗЬМИЧЕВ 2,3, T. Н. НАРЫТНИК 1, С. В. ДЕНБНОВЕЦКИЙ 1, A. В. MАЙ 1 1 Национальный технический университет Украины “КПИ имени Игоря Сикорского”, пр-т Победы, 37, г. Киев, 03056, Украина E-mail: director@mitris.com 2 Институт радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова НАН Украины, ул. Ак. Проскуры, 12, г. Харьков, 61085, Украина E-mail: kuzmichev.igr@i.ua 3 Харьковский национальный университет имени В. Н. Каразина, пл. Свободы, 4, г. Харьков, 61022, Украина E-mail: kuzmichev.igr@i.ua ÂÛÑØÈÅ ÒÈÏÛ ÊÎËÅÁÀÍÈÉ Â ÎÒÊÐÛÒÎÌ ÐÅÇÎÍÀÒÎÐÅ Ñ ÎÒÐÅÇÊÎÌ ÊÐÓÃËÎÃÎ ÂÎËÍÎÂÎÄÀ Предмет и цель работы: Исследование эффективности возбуждения волны 01ТЕ в отрезке круглого волновода, разме- щенного в центре одного из зеркал открытого резонатора, с помощью высшего колебания 30qТЕМ (в функциях Эрмита–Гаусса) и вырожденного колебания 11qТЕМ . Методы и методология: Для определения эффективности возбуждения волны 01ТЕ в отрезке круглого волновода с помощью высших колебаний резонатора применяется коэффициент использования площади раскрыва зеркальных антенн. Нагруженные добротности полусферического открытого резонатора и резонатора с отрезком круглого волновода определяются по ширине резонансной кривой на уровне –3 дБ. Результаты: Установлено, что максимальная эффективность возбуждения волны 01ТЕ в круглом волноводе с помощью колебания 30qТЕМ составляет 0.121 при относительном значении радиуса круглого волновода, равном 0.993, а с помощью колебания 11qТЕМ – 0.242 при том же значении радиуса. Если ограничиться возбуждением рассматри- ваемой волны с помощью центральной части колебания ,11qТЕМ амплитудное распределение поля которой на зеркале открытого резонатора представляет собой два кольца, то максимальная эффективность возбуждения волноводной волны 01ТЕ вырастет до значения 0.954. Экспериментальные исследования выполнены в двухмиллиметровом диапазоне длин волн. В результате проведенных измерений установлено, что благодаря отрезку круглого волновода, размещенно- го в центре плоского зеркала, колебание 30qТЕМ преобразуется в колебание ,11qТЕМ которое устойчиво существует в резонаторе при его перестройке. При этом наличие отрезка круглого волновода не приводит к уменьшению нагру- женной добротности резонансной системы. Заключение: Предложенная в работе квазиоптическая резонансная система может быть использована в качестве высокоэффективного сумматора мощности в субтерагерцевом диапазоне частот. Ключевые слова: открытый резонатор, круглый волновод, эффективность возбуждения, сложение мощностей DOI: https://doi.org/10.15407/rpra24.03.218 УДК 621.375.4 PACS number: 07.57.-c 1. Ââåäåíèå Компактные когерентные источники колебаний, обеспечивающие достаточный уровень выходной мощности, необходимы для успешного решения многих практических задач в терагерцевом диа- пазоне частот [1–3]. Однако их выходная мощность падает с ростом частоты. В случае твердотель- ных источников это связано с увеличивающейся ролью паразитных параметров прибора и укоро- чением времени пролета носителей заряда в ак- тивной области. Что касается электровакуумных приборов, то падение выходной мощности связа- но с ростом омических потерь и ухудшением эф- фективности взаимодействия электронного по- тока с одной из поверхностных гармоник замед- ляющей системы при уменьшении ее геометри- ческих размеров. Поэтому одним из возможных путей решения этих проблем является создание сумматоров мощности. ISSN 1027-9636. Радіофізика і радіоастрономія. Т. 24, № 3, 2019 219 Высшие типы колебаний в открытом резонаторе с отрезком круглого волновода Tребования, предъявляемые к точности изго- товления элементной базы, с переходом в субте- рагерцевый (100 300 ГГц),f  а тем более в терагерцевый (300 3000 ГГц)f  частотные диапазоны [3] возрастают. Так, для получения одномодового режима в объемных резонаторах их геометрические размеры должны быть срав- нимы с рабочей длиной волны. Результатом этого требования будет уменьшение объема, за- нимаемого колебанием, и, следовательно, его доб- ротности. В итоге уменьшится коэффициент сум- мирования мощностей отдельных источников. Следовательно, в указанных частотных диапазо- нах необходимо переходить к открытым резона- торам (ОР), которые находят применение при сложении мощностей твердотельных источников в КВЧ (крайне высокочастотном) диапазоне. Обычно источники колебаний располагаются в резонансном объеме [4–6]. Однако при этом имеет место сильная связь генераторов с общим резонатором и, как следствие, между собой, что вызывает трудности в настройке сумматора мощности и делает такие системы критически- ми к разбросу параметров отдельных источ- ников даже при малом их числе [7]. Наиболее перспективными в субтерагерцевом диапазоне являются ОР с источниками, вынесенными из резонансного объема [8, 9]. Благодаря такой кон- струкции обеспечивается синхронизация актив- ных элементов, а связь между ними становится более слабой. Все суммируемые источники свя- заны с колебанием резонатора через щелевые элементы связи. Наличие таких элементов связи на зеркалах резонатора приводит к тому, что нарушается аксиальная симметрия электродинамической си- стемы, и поэтому поперечные типы колебаний в таком ОР будут описываться функциями Эрми- та–Гаусса. И для сложения в резонаторе выход- ных мощностей четырех или тем более шести диодов по аналогии с тем, как это сделано в [8], необходимы типы колебаний 30qTEM или 50 .qTEM С увеличением поперечного индекса колебаний для обеспечения малости дифракционных потерь и высокой добротности колебаний ОР требуются зеркала большой апертуры. С другой стороны, большие геометрические размеры сумматора мощности на базе ОР будут ограничивать его применение в радиоэлектронных схемах. На осно- вании сказанного сформулируем цель работы – исследование особенностей возбуждения выс- ших типов колебаний в ОР субтерагерцевого диапазона с небольшими геометрическими раз- мерами. 2. Âîçáóæäåíèå âîëíû 01TE â êðóãëîì âîëíîâîäå Оценим эффективность возбуждения волны 01TE в круглом волноводе радиуса a, расположенном в центре плоского зеркала полусферического ОР, с помощью высшего аксиально-несимметрично- го колебания 30 .qTEM Геометрические парамет- ры резонатора и распределение возбуждающего ( , )eЕ x y  и рабочего ( , )wЕ x y  полей приведены на рис. 1. Здесь же показана ориентация векторов напряженности электрического поля в резонаторе и в волноводе. Запишем распределение элект- рической компоненты поля колебания 30qTEM в плоскости 0z  в цилиндрической системе координат с учетом векторного характера элект- рического поля [10]: 2 0 2 0 0 2 ( , ) 4 expeE E w w                   2 2 0 0 0 2 cos 1 2 3 sin 2 cos . 2w                       (1) Рис. 1. Модель рассматриваемого ОР 220 ISSN 1027-9636. Радіофізика і радіоастрономія. Т. 24, № 3, 2019 M. E. Ильченко и др. Здесь 0Е – амплитудный коэффициент, 0w – ра- диус пятна поля основного колебания резонатора 00qTEM на плоском зеркале, 0  и 0  – единич- ные орты. Распределение электрической компо- ненты поля волны 01TE в круглом волноводе в плоскости 0z  имеет вид    0 01 01 1 01 0( , ) ( ) ,wE C N J          (2) где 0 0 0 0 ,C ik W  0 0 0 ,k     0 0 0W     120 ; 01N – константа нормировки; 01  3.832 a – поперечное волновое число; 1 01( )J   – функция Бесселя первого рода. Отражением от раскрыва волновода пренебрегаем и считаем апер- туры зеркал бесконечными. Чтобы определить эффективность возбужде- ния волны 01TE в круглом волноводе с помощью колебания ОР 30 ,qTEM воспользуемся представ- лениями (1), (2) и соотношением [11]         22 0 0 2 2 , , d d . , , a e w e w Е E E E                     (3) Символ “ ” обозначает комплексно сопряженную функцию. Фактически это соотношение показывает, ка- кая часть энергии, запасенной в колебании 30 ,qTEM преобразуется в энергию волны 01,TE распрост- раняющейся в круглом волноводе. Величины 2 ( , )eЕ    и 2 ( , )wЕ    являются квадратами норм функций возбуждающего и рабочего полей, 2 2 0 0 ( , ) ( , ) ( , ) d d ,e e eE Е Е                 (4) 2 2 0 0 ( , ) ( , ) ( , ) d d . a w w wE Е Е                (5) Функции eЕ  и wЕ  определяются уравнениями (1) и (2) и их значения подставляются в выраже- ния (4), (5). После проведенных преобразований получим 2 2 2 0 0( , ) 24 ,eE E w     (6) 2 2 0( , ) .wE C    (7) После подстановки (1), (2), (6) и (7) в соотно- шение (3), опустив промежуточные выкладки, запишем в окончательном виде выражение, оп- ределяющее эффективность возбуждения волно- водной волны 01TE в круглом волноводе с помо- щью высшего аксиально-несимметричного коле- бания ОР 30 :qTEM   1 4 2 2 2 1 0 ( ) 6 exp (3.832 )da a u u a J u u        21 2 4 2 2 1 0 exp (3.832 )da u u a J u u      11 2 1 0 (3.832 ) d .u J u u           (8) где 0.a a w Зависимость ( )a  от нормированного радиу- са круглого волновода приведена на рис. 2 (кри- вая 1). При рассмотрении мы ограничились значе- нием 2,а  которое фактически соответствуеет радиусу круглого волновода a, равному диамет- ру пятна поля 02w основного колебания резона- тора 00qTEM на плоском зеркале. Увеличивать диаметр круглого волновода нецелесообразно. С ростом а эффективность возбуждения волны 01TE с помощью рассматриваемого колебания ОР должна падать, а вот эффективность возбуж- Рис. 2. Эффективность возбуждения волны 01TE в кругломм волноводе с помощью высших типов колебаний ОР 30qTEM и 11 :qТЕМ  кривая 1 – , кривая 2 – 1, кривая 3 – 2, кривая 4 – 3 ISSN 1027-9636. Радіофізика і радіоастрономія. Т. 24, № 3, 2019 221 Высшие типы колебаний в открытом резонаторе с отрезком круглого волновода дения волны круглого волновода 02TE будет ра- сти, так как ее структура наиболее близка к струк- туре колебания резонатора 30 .qTEM Однако, как было сказано выше, мы рассматриваем возбуж- дение именно волны 01TE в круглом волноводе. При сравнительно небольших размерах волново- да ( 2),а  размещенного в центре плоского зер- кала, крайние пятна полей колебания ОР 30qTEM (см. рис. 3) должны быть расположены на по- верхности зеркала и не попадают в раскрыв круг- лого волновода. Как видно из рис. 2 (кривая 1), максимальное значение max 0.1212  при 0.993.a  Таким образом, эффективность воз- буждения рассматриваемой волноводной волны с помощью высшего аксиально-несимметрично- го колебания ОР 30qTEM невелика. Теперь предположим, что в резонаторе суще- ствует вырожденный тип колебаний 11qТЕМ  [12], который является аксиально-симметричным. Это колебание, по сути, представляет собой ком- бинацию двух вырожденных колебаний 30qTEM и 03 ,qTEM смешанных в пространстве и сдвину- тых по фазе на 90 , (см. рис. 4). При этом рас- пределение электрической компоненты поля колебания 11qТЕМ  в плоскости 0z  в цилиндри- ческой системе координат, с учетом выполнен- ных преобразований и векторного характера элек- трического поля, имеет вид    2 2 0 0 0( , ) 2 expeE E w w         2 0 02 2 sin(4 )w          2 2 0 0 02 2 cos4 6 2 12 .w w             (9) Распределение электрической компоненты поля волны 01TE в круглом волноводе и квадратт нормы функции, определяющей рабочее поле, как и в предыдущем случае, будут описываться вы- ражениями (2) и (7). При этом квадрат нормы функции 2 ( , )еЕ    возбуждающего поля ,еЕ  с учетом выражений (4) и (9), будет задаваться соотношением 2 2 2 0 0( , ) 48 .еЕ Е w     (10) После подстановки значений ,еЕ  ,wЕ  2 ( , )еЕ    и 2 ( , ) ,wЕ    определяемых выраже- ниями (9), (2), (10) и (7), в соотношение (3) най- дем эффективность возбуждения волны 01TE в круглом волноводе с помощью аксиально-сим- метричного колебания ОР 11 .qТЕМ  Проведенный анализ показывает, что эффективность возбуж- дения 1( )a  волны 01TE в круглом волноводеде Рис. 3. Распределение электрической компоненты поля коле- бания 3010ТЕМ на плоском зеркале резонатора Рис. 4. Распределение электрической компоненты поля коле- бания 1110ТЕМ  на плоском зеркале резонатора 222 ISSN 1027-9636. Радіофізика і радіоастрономія. Т. 24, № 3, 2019 M. E. Ильченко и др. радиуса а в этом случае в два раза выше, чем в предыдущем случае (см. выражение (8)), т. е. 1( ) 2 ( ).a a    Максимальная эффективность воз- буждения указанной волноводной волны состав- ляет max 1 ( ) 0.2424a  при 0.993a  (см. рис. 2, кривая 2). Это значение показывает, что эффек- тивность возбуждения волны 01TE в кругломм волноводе с помощью аксиально-симметрично- го колебания ОР 11qТЕМ  выросла, но незна- чительно. В качестве следующего шага сделаем такое допущение. Будем считать, что волна в круглом волноводе возбуждается не всем колебанием ОР 30 ,qTEM определяемым выражением (1), а с по- мощью его двух центральных пятен полей (см. рис. 3). Сделать такое допущение нам позволяет то, что при определенном значении  отношение max 0.E E  В этом случае при вычислении эф- фективности возбуждения волны 01TE будем ин- тегрировать в цилиндрической системе коор- динат от нуля до значения   03 2 ,w  котороее является вторым нулем функции (1), описы- вающей распределение поля колебания 30qTEM на плоском зеркале полусферического ОР. Опус- кая промежуточные выкладки, запишем в окон- чательном виде выражение, определяющее эф- фективность возбуждения волны 01TE в кругломм волноводе с помощью центральной части коле- бания 30 :qTEM   1 2 2 2 2 1 0 ( ) 4.5 exp (3.832 )da u u a J u u       21 2 4 2 2 1 0 exp (3.832 )da u u a J u u        3 2 23 4 4 2 2 2 2 0 10 18 9 exp 2 d а u u a u a u a u                11 2 1 0 3.832 d .u J u u       (11) Результаты расчета по формуле (11) представ- лены на рис. 2 (кривая 3). Из рисунка легко заме- тить, что максимальная эффективность возбуж- дения волны 01TE в этом случае более чем в четыре раза выше по сравнению с в первым слу- чаем (кривая 1), max 2 ( ) 0.4774а  при 0.993.a  Рассмотрим также возбуждение рассматри- ваемой волноводной волны с помощью централь- ного кольца вырожденного типа колебаний 11 ,qТЕМ  определяемого выражением (9). Интегрирование осуществляется в тех же пределах, что и в пре- дыдущем случае. Используя выражения (9), (2), (4), (7) и (3), запишем в окончательном виде соот- ношение, определяющее эффективность возбуж- дения волны 01TE с помощью части колебания ОР 11 .qТЕМ  Как оказалось, 3 2( ) 2 ( ).а а    Результаты расчета эффективности возбуж- дения 3( )а  волны 01TE в круглом волноводеде с помощью части колебания ОР 11qТЕМ  пред- ставлены на рис. 2 (кривая 4). Как видно, эффек- тивность возбуждения волны 01TE в кругломм волноводе с помощью центрального кольца коле- бания ОР 11qТЕМ  (см. рис. 4) существенно вы- росла. При этом ее максимальное значение в два раза больше, чем в предыдущем случае, и со- ставляет max 3 ( ) 0.9548а  при 0.993.a  Для того чтобы проверить правильность сделанных нами допущений при вычислении эффективности воз- буждения волны 01TE в круглом волноводе, не- обходимо было провести экспериментальные ис- следования. 3. Ýêñïåðèìåíòàëüíûå èññëåäîâàíèÿ Для проведения измерений использовался ОР по- лусферической геометрии. Радиус кривизны R его криволинейного отражателя составляет 39 мм, апертуры обоих зеркал равны 40 мм. Рабочая длина волны 2.308 мм  ( 130 ГГц).f  Чем выше поперечный индекс возбуждаемого в ОР типа колебаний, тем при меньшем расстоянии между зеркалами имеет место режим максималь- ной добротности. Это связано с дифракционными потерями в такой резонансной системе. Поэтому на первом этапе положим 0.3.L R  Именно для приведенных выше параметров ОР и длины волны  на рис. 3 и рис. 4 показаны распределе- ния электрических компонент рассматриваемых в работе типов колебаний 30qTEM и 11qТЕМ  на плоском зеркале. В центре плоского зеркала резонатора распо- ложен отрезок круглого волновода, диаметр ко- торого выбирался из условия получения макси- мального значения эффективности возбуждения волноводной волны 01TE  и составил 7.6 мм. В круглом волноводе перемещался поршень, диа- ISSN 1027-9636. Радіофізика і радіоастрономія. Т. 24, № 3, 2019 223 Высшие типы колебаний в открытом резонаторе с отрезком круглого волновода метр которого равен 7 мм. Для волны 01TE хоро- ший электрический контакт поршня со стенками волновода не принципиален. Исследования опи- санного ОР были проведены с помощью пано- рамного измерителя Elmika R4402R (диапазон частот 110 170 ГГц). Резонатор возбуждался через щелевой элемент связи с размерами 1.6 0.1 мм, расположенный на сферическомм зеркале на расстоянии 7.7 мм от оси резонатора, где напряженность электрического поля коле- бания 30qTEM имеет максимальное значение. Таким образом, мы рассматриваем резонатор, включенный по схеме на отражение. При прове- дении исследований на панорамном измерителе ОР является двухполюсником. При рассматри- ваемом расстоянии между зеркалами дифрак- ционные потери для резонансной системы будут малы. В этом случае надевание металлического экрана на ОР не приведет к сгущению спектра колебаний. Именно в металлическом экране и про- водились оценки нагруженных добротностей рас- сматриваемых колебаний ОР. Следовательно, по- лученные значения нагруженных добротностей являются правильными. Здесь необходимо отметить, что ориентация вектора напряженности электрического поля в исследуемом колебании должна быть близка к ориентации вектора напряженности электри- ческого поля волны 01TE в круглом волноводе. Исходя из этого, выбираем ориентацию возбуж- дающего элемента связи, размещенного на сфе- рическом зеркале ОР, таким образом, чтобы век- тор напряженности электрического поля основ- ной волны в прямоугольном волноводе 01TE был перпендикулярен плоскости рис. 1. На первом этапе поршень находился заподли- цо с плоским зеркалом. В резонаторе с помощью элемента связи на заданной частоте возбуждал- ся высший аксиально-несимметричный тип коле- баний 3010TEM ( 0.302).L R  Идентификация рабочего типа колебаний в резонаторе проводи- лась методом пробного тела [13]. После этого поршень в круглом волноводе переместили на 7.468 мм, что соответствует трем волноводным длинам волн волны 01,TE и опять настроились в резонанс, который фиксировали по минимально- му значению отраженного от ОР сигнала. Нагруженная добротность резонатора являет- ся мерой потерь в системе. Проведенные оценки по полуширине резонансной кривой показали, что ее значение составляет 3200 в ОР с отрезкомм круглого волновода и без него. Одинаковое зна- чение нагруженных добротностей двух рассмат- риваемых ОР (с отрезком волновода и без него) можно объяснить тем, что наличие отрезка круг- лого волновода вносит небольшие потери в резо- нансный объем, что должно привести к умень- шению значения добротности. Но при этом воз- растает объем, занимаемый рабочим колеба- нием, за счет того же отрезка волновода, что в итоге приведет к увеличению добротности. Кроме того, полученный результат по оценке на- груженной добротности колебаний в обоих рас- сматриваемых резонаторах говорит о том, что волна 01TE в отрезке круглого волновода возбуж- дается с высокой эффективностью. В противном случае потери, связанные с преобразованием ко- лебания резонатора в волноводную волну, при- вели бы к уменьшению значения нагруженной добротности, которая является мерой потерь в резонаторе. Самый, на наш взгляд, интересный экспери- ментальный результат, который мы получили, состоит в том, что наличие отрезка круглого волновода в центре плоского зеркала ОР приво- дит к тому, что не только два центральных пятна поля рассматриваемого колебания 3010TEM пре- образуются в кольцо. Аналогичная ситуация про- исходит и с двумя крайними пятнами поля иссле- дуемого колебания, которые расположены на поверхности зеркала. Таким образом, отрезок круглого волновода приводит к трансформации аксиально-несимметричного колебания ОР 3010TEM (см. рис. 3) в аксиально-симметричный тип колебаний 1110ТЕМ  (см. рис. 4). При этомм отрезок круглого волновода является тем стаби- лизирующим элементом, который будет препят- ствовать снятию вырождения и преобразованию колебания 1110ТЕМ  в два взаимно ортогональных колебания 3010TEM и 0310.TEM Основная особенность колебания 1110ТЕМ  со- стоит в том, что векторы напряженностей элек- трического поля в соседних кольцах (см. рис. 5) противофазны и имеют только аксиальную со- ставляющую. Поэтому если по наружному коль- цу расположить диоды, связанные с ОР через щелевые элементы связи, то в перспективе мож- но создать высокоэффективный сумматор мощ- 224 ISSN 1027-9636. Радіофізика і радіоастрономія. Т. 24, № 3, 2019 M. E. Ильченко и др. ности в субтерагерцевом диапазоне частот. Помимо этого, предложенная нами резонансная система в будущем может найти применение и как генератор гармоник. 4. Âûâîäû Таким образом, выполненные исследования позво- ляют сделать ряд важных практических выводов. 1. В результате проведенного теоретического анализа показано, что в отрезке круглого волно- вода, размещенного в центре плоского зеркала полусферического ОР, с эффективностью 48 % можно возбудить волну 01TE с помощью цент- ральной части высшего аксиально-несимметрич- ного колебания ОР 30 .qTEM 2. Благодаря отрезку круглого волновода в центре плоского зеркала аксиально-несимметрич- ное колебание ОР 30qTEM преобразуется в ко- лебание 11 ,qТЕМ  которое характеризуется ак- сиальным распределением напряженности элек- трического поля. В этом случае можно обеспе- чить возбуждение волны 01TE в отрезке круглогоо волновода с эффективностью 95 % с помощью центральной части этого колебания. 3. Экспериментальные исследования подтвер- дили, что колебание 11qТЕМ  в резонаторе устой- чиво существует при изменении расстояния меж- ду зеркалами в широких пределах. 4. Полученный в работе результат по оценке нагруженных добротностей колебаний 11qТЕМ  и 30qTEM в полусферическом ОР с отрезком круг- лого волновода и без него говорит о том, что волна 01TE в отрезке круглого волновода возбуж- дается с высокой эффективностью. 5. Исследованная в работе квазиоптическая резонансная система может быть использована в качестве высокоэффективного сумматора мощ- ности в субтерагерцевом диапазоне частот. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 01. Агранат M. Б., Ильина И. В., Ситников Д. С. Примене- ние терагерцовой спектроскопии для дистанционного экспресс-анализа газов. Теплофизика высоких темпе- ратур. 2017. Т. 55, № 6. С. 759–774. DOI: 10.7868/ S0040364417060114 02. Hafez H. A., Chai X., Ibrahim A., Mondal S., Férachou D., Ropagnol X., and Ozaki T. Intense terahertz radiation and their applications. J. Opt. 2016. Vol. 18, No. 9. id. 093004. DOI: 10.1088/2040-8978/18/9/093004 03. Yang Х., Zhao Х., Yang K., Liu Y., Fu W., and Luo Y. Biomedical Applications of Terahertz Spectroscopy and Ima- ging. Trends Biotechnol. 2016. Vol. 34, No. 10. Р. 810–824. DOI: 10.1016/j.tibtech.2016.04.008 04. Lyubchenko V. E., Yunevich E. O., Kalinin V. I., Kotov V. D., Radchenko D. E., and Telegin S. A. Active microstrip an- tennas and antenna arrays with field-effect transistors. Radioelectronics. 2015. Vol. 7, No. 1. Р. 3–14. DOI: 10.17725/rensit.2015.07.003 05. Bae J., Aburakawa Y., Kondo H., Tanaka T., and Mizu- no K. Millimeter and submillimeter wave quasi-optical os- cillator with Gunn diodes. IEEE Trans. Microw. Theory Tech. 1993. Vol. 41, No. 10. Р. 1851–1855. DOI: 10.1109/ 22.247932 06. Judaschke R., Hoft M., and Schunemann K. Quasi-optical 150-GHz power combining oscillator. IEEE Microw. Wirel. Compon. Lett. 2005. Vol. 15, No. 5. Р. 300–302. DOI: 10.1109/LMWC.2005.847660 07. Дворников A. А., Уткин Г. М. О сложении мощностей многих автогенераторов. Радиотехника и электроника. 1974. Т. 19, № 3. С. 550–559. 08. Tyagi R. K. and Singh D. Quasi-optical resonator for power combining at W-band. Int. J. Infrared Milli. Waves. 1996. Vol. 17, Is. 2. Р. 385–391. DOI: 10.1007/ BF02088161 09. Arkhipov A. V., Belous O. I., Bulgakov B. M., and Fi- sun A. I. Millimeter wave power combiner based on a half- open resonator. Int. J. Infrared Milli. Waves. 2002. Vol. 23, Is. 3. P. 507–516. DOI: 10.1023/A:1015054124268 10. Kogelnik H. Coupling and convertion coefficients for opti- cal modes. In: Quasi-Optics. Proceedings of the Sympo- Рис. 5. Ориентация щелевых элементов связи на зеркале ОР, переходящих в волноводы стандартного сечения, каждый из которых нагружен на диод. Тип колебаний в резона- торе – 1110ТЕМ  ISSN 1027-9636. Радіофізика і радіоастрономія. Т. 24, № 3, 2019 225 Высшие типы колебаний в открытом резонаторе с отрезком круглого волновода sium on Quasi-Optics. (June 8-12, 1964, New York). Brook- lyn, NY: Polytechnic Press, 1964. P. 333–347. 11. Кuzmichev I. K. Quasi-Optical Resonance Systems with Internal Inhomogeneities. Telecommun. Radio Eng. 2009. Vol. 68, No. 4. P. 299–317. DOI: 10.1615/TelecomRadEng. v68.i4.30 12. Menzel R. Photonics: Linear and Nonlinear Interactions of Laser Light and Matter. 2nd Edition, Berlin, Heidel- berg, New York: Springer, 2007. 1024 p. ISBN 978-3- 540-23160-8 13. Kuzmichev I. K. The probe diameter choosing for the investigation of the field distribution in the small aperture open resonator. Telecommun. Radio Eng. 2002. Vol. 58, No. 7-8. P. 59–63. DOI: 10.1615/TelecomRadEng.v58. i7-8.50 REFERENCES 01. AGRANAT, M. B., IL’INA, I. V. and SITNIKOV, D. S., 2017. Application of terahertz spectroscopy for remote express analysis of gases. Teplofizika vysokikh temperatur. vol. 55, no. 6, pp. 759–774. (in Russian). DOI: 10.7868/ S0040364417060114 02. HAFEZ, H. A., CHAI, X., IBRAHIM, A., MONDAL, S., FÉRACHOU, D., ROPAGNOL, X. and OZAKI, T., 2016. Intense terahertz radiation and their applications. J. Opt. vol. 18, no. 9, id. 093004. DOI: 10.1088/2040-8978/ 18/9/093004 03. YANG, Х., ZHAO, Х., YANG, K., LIU, Y., FU, W. and LUO, Y., 2016. Biomedical Applications of Terahertz Spectroscopy and Imaging. Trends Biotechnol. vol. 34, no. 10, pp. 810–824. DOI: 10.1016/j.tibtech.2016.04.008 04. LYUBCHENKO, V. E., YUNEVICH, E. O., KALININ, V. I., KOTOV, V. D., RADCHENKO, D. E. and TELEGIN, S. A., 2015. Active microstrip antennas and antenna arrays with field-effect transistors. Radioelectronics. vol. 7, no. 1, pp. 3–14. DOI: 10.17725/rensit.2015.07.003 05. BAE J., ABURAKAWA, Y., KONDO, H., TANAKA, T. and MIZUNO, K., 1993. Millimeter and submillime- ter wave quasi-optical oscillator with Gunn diodes. IEEE Trans. Microw. Theory Tech. vol. 41, no. 10, pp. 1851–1855. DOI: 10.1109/22.247932 06. JUDASCHKE, R., HOFT, M. and SCHUNEMANN, K., 2005. Quasi-optical 150-GHz power combining oscillator. IEEE Microw. Wirel. Compon. Lett. vol. 15, no. 5, pp. 300–302. DOI: 10.1109/LMWC.2005.847660 07. DVORNIKOV, A. A. and UTKIN, G. M., 1974. Summa- tion of power from numerous oscillators. Radiotekhnika i elektronika. vol. 19, no. 3, pp. 550–559. (in Russian). 08. TYAGI, R. K. and SINGH, D., 1996. Quasi-optical reso- nator for power combining at W-band. Int. J. Infrared Milli. Waves. vol. 17, is. 2, pp. 385–391. DOI: 10.1007/ BF02088161 09. ARKHIPOV, A. V., BELOUS, O. I., BULGAKOV, B. M. and FISUN, A. I., 2002. Millimeter wave power combi- ner based on a half-open resonator. Int. J. Infrared Milli. Waves. vol. 23, is. 3, pp. 507–516. DOI: 10.1023/A: 1015054124268 10. KOGELNIK, H., 1964. Coupling and convertion coeffi- cients for optical modes. In: Quasi-Optics. Proceedings of the Symposium on Quasi-Optics. Brooklyn, NY: Polytech- nic Press, pp. 333–347. 11. КUZMICHEV, I. K., 2009. Quasi-Optical Resonance Sys- tems with Internal Inhomogeneities. Telecommun. Radio Eng. vol. 68, no. 4, pp. 299–317. DOI: 10.1615/ TelecomRadEng.v68.i4.30 12. MENZEL, R., 2007. Photonics: Linear and Nonlinear Interactions of Laser Light and Matter. Berlin, Heidelberg, New York: Springer. ISBN 978-3-540-23160-8. 13. KUZMICHEV, I. K., 2002. The probe diameter choosing for the investigation of the field distribution in the small aperture open resonator. Telecomm. Radio Eng. vol. 58, no. 7-8, pp.59–63. DOI: 10.1615/TelecomRadEng.v58.i7-8.50 M. E. Ilchenko 1, I. K. Kuzmichev 2,3, T. N. Narytnik 1, S. V. Denbnovetsky 1, and A. V. May 1 1 National Technical University of Ukraine “Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute”, 37, Peremohy Ave., Kyiv, 03056, Ukraine 2 O. Ya. Usikov Institute for Radiophysics and Electronics, National Academy of Sciences of Ukraine, 12, Acad. Proskura St., Kharkiv, 61085, Ukraine 3 V. N. Karazin Kharkiv National University, 4, Svoboda Sq., Kharkiv, 61022, Ukraine THE HIGHER ORDER MODES IN THE OPEN RESONATOR WITH THE SEGMENT OF THE CIRCULAR WAVEGUIDE Purpose: Study of the 01ТЕ wave excitation efficiency in a segment of the circular waveguide located in the center of one of the mirrors of the open resonator with the help of the higher order mode 30qТЕМ (in the Hermite-Gauss functions) and the degenerate mode 11qТЕМ . Design/methodology/approach: To determine the 01ТЕ wave excitation efficiency in a segment of a circular waveguide using the higher resonator oscillations, an aperture area ratio of the mirror antennas is used. Loaded Q-factors of a hemispherical open resonator and a resonator with a circular waveguide seg- ment are determined by the width of the resonance curve at the level of –3 dB. Findings: It has been established that the 01ТЕ wave maximum excitation efficiency in a circular waveguide when using the 30qТЕМ mode is 0.121 with the circular waveguide radius rela- tive value being 0.993, and using the 11qТЕМ  mode it is 0.242 for the same radius value. When the considered wave was excited by using only the central part of the 11 ,qТЕМ  which field ampli- tude distribution on the open resonator mirror corresponds to the two rings, then the 01ТЕ wave maximum excitation efficien- cy grew up to 0.954. Experimental studies were made in the two-millimeter wavelength range. The results of the made mea- surements showed that due to the circular waveguide segment the 30qТЕМ mode transformed into the 11qТЕМ  mode which stably exists in the resonator during its tuning. In this case, the presence of a circular waveguide segment does no result in the decrease of the loaded Q-factor of the resonance system. Conclusions: The here proposed quasi-optical resonant system can be used as a highly efficient power combiner in the subtera- hertz frequency range. 226 ISSN 1027-9636. Радіофізика і радіоастрономія. Т. 24, № 3, 2019 M. E. Ильченко и др. Key words: open resonator, circular waveguide, excitation effi- ciency, power combiner М. Ю. Ільченко 1, І. К. Кузьмичов 2,3, Т. М. Наритник 1, С. В. Денбновецький 1, О. В. Май 1 1 Національний технічний університет України “КПІ імені Ігоря Сікорського”, пр-т Перемоги, 37, м. Київ, 03056б Україна 2 Інститут радіофізики та електроніки ім. О. Я. Усикова НАН України, вул. Ак. Проскури, 12, м. Харків, 61085, Україна 3 Харківський національний університет імені. В. Н. Каразіна, м. Свободи, 4, м. Харків, 61022, Україна ВИЩІ ТИПИ КОЛИВАНЬ У ВІДКРИТОМУ РЕЗОНАТОРІ З ВІДРІЗКОМ КРУГЛОГО ХВИЛЕВОДУ Предмет і мета роботи: Дослідження ефективності збуд- ження хвилі 01ТЕ у відрізку круглого хвилеводу, розташо- ваного в центрі одного з дзеркал відкритого резонатора, за допомогою вищого коливання 30qТЕМ (у функціях Ерміта–Гаусса) і виродженого коливання 11qТЕМ . Методи та методологія: Для визначення ефективності збуд- ження хвилі 01ТЕ у відрізку круглого хвилеводу за допомо- гою вищих коливань резонатора застосовується коефіцієнт використання площі розкриву дзеркальних антен. Наванта- жені добротності напівсферичного відкритого резонатора і резонатора з відрізком круглого хвилеводу визначаються за шириною резонансної кривої на рівні –3 дБ. Результати: Встановлено, що максимальна ефективність збудження хвилі 01ТЕ у круглому хвилеводі за допомогою коливання 30qТЕМ становить 0.121 при відносному зна- ченні радіуса круглого хвилеводу, що рівняється 0.993, а за допомогою коливання 11qТЕМ  – 0.242 при тому ж значенні радіуса. Якщо обмежитись збудженням розгляну- тої хвилі за допомогою центральної частини коливання 11 ,qТЕМ  амплітудний розподіл поля якої на дзеркалі відкритого резонатора являє собою два кільця, то макси- мальна ефективність збудження хвилеводної хвилі 01ТЕ зросте до значення 0.954. Експериментальні дослідження виконані у двохміліметровому діапазоні довжин хвиль. В результаті виконаних вимірювань встановлено, що зав- дяки відрізку круглого хвилеводу, розташованого у центрі плоского дзеркала, коливання 30qТЕМ перетворюється на коливання 11 ,qТЕМ  яке стійко існує в резонаторі при йогоо перестройці. При цьому наявність відрізка круглого хви- леводу не призводить до зменшення навантаженої доброт- ності резонансної системи. Висновки: Запропонована в роботі квазіоптична резонанс- на система може бути використана у якості високоефектив- ного суматора потужності в субтерагерцовому діапазоні частот. Ключові слова: відкритий резонатор, круглий хвилевід, ефек- тивність збудження, складання потужностей Статья поступила в редакцию 10.07.2019

Высшие типы колебаний в открытом резонаторе с отрезком круглого волновода

Репозитарії

Схожі ресурси