Електромагнітні взаємодії просторових гармонік черенковського та дифракційного випромінювань в електродинамічних системах пристроїв край високих частот - Автореферат

Широке застосування в електроніці і техніці край високих частот (КВЧ) знаходять періодичні металеві та метало-діелектричні структури (МДС), що є основними елементами генераторів дифракційного випромінювання та антенних систем [1, 2]. Все це дає підставу вважати, що дуже перспективними та актуальними є теоретичні та експериментальні дослідження електромагнітної взаємодії просторових гармонік черенковського та дифракційного випромінювань у відкритих електродинамічних системах КВЧ з періодичними метало-діелектричними та металевими структурами. Робота виконана в науково-дослідній лабораторії кафедри фізичної електроніки Сумського державного університету і повязана з держбюджетною темою "Дослідження радіаційних ефектів при збудженні відкритих метало-діелектричних структур електронним потоком" (номер держреєстрації 0197U016605, термін виконання - 1997-1999 рр.), включеної в координаційний план згідно з напрямом "Взаємодія електромагнітного випромінювання та потоків заряджених часток з речовинами" (рішення науково-експертної ради "Фізика" від 25.12.96р.). Мета цього дослідження полягає у визначенні загальних фізичних закономірностей електромагнітної взаємодії просторових гармонік черенковського та дифракційного випромінювань у відкритих електродинамічних системах пристроїв КВЧ з періодичними металевими і метало-діелектричними структурами. експериментальне дослідження та побудова фізичної моделі електромагнітної взаємодії гармонік випромінювання в метало-діелектричних структурах кінцевої товщини;У першому розділі літературного огляду розкрито основні етапи розвитку пристроїв КВЧ, принцип дії яких базується на використанні двох видів радіаційних ефектів: дифракційного та черенковського випромінювань (ДЧВ). У другому розділі проведено системний чисельний аналіз та експериментальне моделювання енергетичних характеристик гармонік випромінювання в МДС типу напівнескінченний діелектричний шар - стрічкова ДГ (рис.1а). Експериментальна модель являла собою трикутну призму з характерними розмірами порядку (довжина хвилі випромінювання), на бічну грань якої наносилася стрічкова ДГ, збуджувана планарним діелектричним хвилеводом з відносною фазовою швидкістю хвилі Рисунок 1 Схеми електродинамічних систем, що досліджуються: а) МДС типу діелектричний шар - стрічкова ДГ; б) МДС типу метало-діелектричний канал; в) дифракційно-черенковський генератор; г) ГДВ на звязаних ВР; д) підсилювач на обємних хвилях: 1-електронний пучок; 2-стрічкова ДГ; 3-відбивні ДГ Встановлено, що істотно впливають на енергетичні характеристики дифракційно-черенковського випромінювання товщина та діелектрична проникність призми, які визначають кількість і хвиль (), що поширюються уздовж її подовжньої осі.Встановлено, що визначальну роль у перерозподілі енергії між гармоніками дифракційно-черенковського випромінювання в МДС грає коефіцієнт заповнення стрічкової дифракційної гратки. Встановлено спільність фізичних процесів взаємодії гармонік випромінювання в діелектриках з малими і великими значеннями . Побудовано фізичну модель збудження дифракційно-черенковського випромінювання в МДС кінцевої товщини, що враховує хвильові процеси в системі. Показано, що введення екрана в МДС (модель МДК) призводить до резонансної взаємодії гармонік випромінювання, яка залежить від електродинамічних параметрів системи та відстані до екрана.

2. Основний зміст роботи

Встановлено, що визначальну роль у перерозподілі енергії між гармоніками дифракційно-черенковського випромінювання в МДС грає коефіцієнт заповнення стрічкової дифракційної гратки.

Встановлено спільність фізичних процесів взаємодії гармонік випромінювання в діелектриках з малими і великими значеннями .

Побудовано фізичну модель збудження дифракційно-черенковського випромінювання в МДС кінцевої товщини, що враховує хвильові процеси в системі.

Показано, що введення екрана в МДС (модель МДК) призводить до резонансної взаємодії гармонік випромінювання, яка залежить від електродинамічних параметрів системи та відстані до екрана.

Встановлено, що збудження черенковської гармоніки в МДК підвищує резонансні властивості дифракційних гармонік. Стосовно нульової та мінус першої гармонік у діелектрику резонансне випромінювання в канал - протифазне, а стосовно інших гармонік - синфазне.

Для системи типу МДК отримано якісну відповідність теорії та експерименту, що вказує на обмеженість моделі заданого струму при описі взаємодії гармонік випромінювання.

Встановлено, що максимальної смуги пропускання в системі двох звязаних ВР можна досягти за умови організації звязку через стрічкові дифракційні гратки.

Багатозвязна система, виконана у вигляді відкритого резонатора з МДС та відбивною дифракційною граткою, має якісно нові електродинамічні властивості у порівнянні з ВР без МДС: шляхом зміни товщини діелектрика та значень можлива реалізація режимів загасання енергії у ВР або збільшення амплітуди коливань та їхньої добротності, селекції коливань.

Побудовано лінійну одномірну самоузгоджену теорію збудження нерелятивістським електронним пучком плоско-паралельного відкритого хвилеводу.

Встановлено, що в режимі посилення передача енергії від пучка полю відкритого хвилеводу здійснюється за допомогою повільної хвилі просторового заряду.

Експериментально та теоретично показано, що електродинамічна система підсилювача на базі плоско-паралельного хвилеводу має резонансні властивості, при цьому поле вздовж подовжньої осі рівномірно розподілено за амплітудою на 2/3 його довжини, що істотно відрізняє таку систему від раніше досліджуваного хвилеводу з циліндричними дзеркалами.

Куц Р.И., Рубан А.И., Шатов А.Л. Исследование связанных открытых резонаторов со связью через дифрагированное поле // Материалы научно-технической конференции "Техника и физика электронных систем и устройств".- Ч.2.- Сумы, СУМГУ.- 1995.- С. 224-225.

Воробьев Г.С., Куц Р.И., Пушкарев К.А., Рубан А.И. Исследование связанных открытых резонаторов со связью через дифракционные решетки // Материалы научно-технической конференции "Техника и физика электронных систем и устройств".- Ч.2.- Сумы, СУМГУ.- 1995.- С. 226.

Куц Р.И., Рубан А.И. Особенности характеристик связанных открытых резонаторов, устройств дифракционной электроники // Вісник Сумського державного університету.- 1996.- № 2(6).- С. 35-39.

Рубан А.И. Особенности спектральных характеристик отражательного генератора дифракционного излучения при импульсной модуляции по ускоряющему напряжению // Вісник Сумського державного університету.- 1997.- № 1(7).- С. 77-80.

Воробьев Г.С., Пушкарев К.А., Рубан А.И., Цвык А.И. Энергетические характеристики пространственных гармоник дифракционно-черенковского излучения в периодических металлодиэлектрических структурах // Материалы 8-й Международной Крымской конференции "СВЧ - техника и телекоммуникационные технологии".- 1998.- Т.1.- С. 210-212.

Воробьев Г.С., Рубан А.И., Шматько А.А. Исследование электродинамической системы усилителя КВЧ на эффекте Смита-Парселла // Материалы 8-й Международной Крымской конференции "СВЧ - техника и телекоммуникационные технологии".- 1998.- Т.1.- С. 214-216.

Vorobjov G.S., Ruban A.I., Tsvyk A.I. Simulation of excitation mechanisms of oscillation in diffraction electronics devices on coupled open resonators // International Symposium Physics and Engineering of Millimeter and Submillimeter Waves.- Kharkov.- 1998.- C. 194-195.

Vorobjov G.S., Pushkaryov K.A., Ruban A.I., Tsvyk A.I. Simulation of the excitation processes of diffraction-cerenkov radiation by the electron beam space charge waves on metal-dielectric periodic structures // International Symposium Physics and Engineering of Millimeter and Submillimeter Waves.- Kharkov.- 1998.- C. 196-197.

Воробьев Г.С., Рубан А.И., Кривец А.С., Шматько А.А. Теоретический анализ условий возбуждения колебаний в усилителе с распределенным взаимодействием на эффекте Смита-Парселла // Вісник Сумського державного університету.- 1999.- №1(12).- С. 28-33.

Воробьев Г.С., Рубан А.И., Кривец А.С., Шматько А.А. Экспериментальное моделирование условий возбуждения колебаний в усилителе с распределенным взаимодействием на эффекте Смита-Парселла // Вісник Сумського державного університету.- 1999.- №1(12).- С. 34-37.