Відкриті електродинамічні системи з внутрішніми неоднорідностями - Автореферат

У міліметровому діапазоні довжин хвиль відкриті електродинамічні системи використовуються для вирішення наукових задач спектроскопії, діелектрометріі, діагностики плазми, радіолокації. У всіх випадках іх практичного використання в резонансному обємі розташовуються різні неоднорідності, які погіршують не тільки спектральні і енергетичні характеристики таких систем, а й призводять до просторового спотворення амплітудно-фазового розподілу поля коливань. В умовах освоєння субміліметровому діапазонах довжин хвиль ці фактори перешкоджають використанню відкритих електродинамічних систем для вирішення широкого кола наукових і прикладних задач. Розміри дзеркал резонатора цілком визначають габарити приладів і пристроїв з відкритою електродинамічною системою. Тому питання про гранично досяжні розміри дзеркал ВР, при яких в резонансній системі існуватимуть високодобротні коливання, розподіл полів яких описується тими ж функціями, що і в довгофокусних резонаторах, і вивчення основних властивостей таких відкритих електродинамічних систем, вимагає проведення додаткових досліджень.І як показано в розділі, такі грати, окрім впливу на спектральні характеристики і на розподіл хвильових полів коливань в резонансному обємі, можуть приводити до явища міжтипової взаємодії коливань поблизу ОТС. В результаті проведених теоретичних досліджень було отримано вираз, що визначає ефективність збудження коливань у відкритих електродинамічних системах. У підрозділі 2.3 проаналізовано ефективність збудження хвилі ТЕ01 у відрізку круглого хвилеводу, розташованого в центрі плоского дзеркала резонатора, за допомогою першого вищого неаксіально-симетричного коливання ТЕМ01q, амплітудний розподіл поля якого описується функціями Лягерра-Гауса. Проведені дослідження дозволили зробити важливий практичний висновок, що у відкритій електродинамічній системі, що містить відрізок круглого хвилеводу, розміри якого однозначно повязані з геометрією резонатора і довжиною хвилі, з високою ефективністю повинно збуджуватися коливання "волове око". Як показано в попередніх підрозділах, за наявності дифракційної гратки на поверхні одного з дзеркал ВР в резонансній системі може існувати невироджена ОТС, поблизу якої два коливання, що вступають у взаємодію, інтенсивно обмінюються енергією, а після переходу через неї взаємоперетворюються.У дисертації представлено вирішення актуальної проблеми радіофізики, повязаної з встановленням особливостей ефективного збудження і механізмів формування полів коливань в малорозмірних резонансних системах за рахунок оптимального вибору параметрів зосереджених і розподілених неоднорідностей на їх дзеркалах. Практичне значення отриманих результатів полягає у розробці малорозмірних відкритих електродинамічних систем, які знайдуть застосування при вирішенні широкого кола наукових і прикладних задач радіофізики міліметрового і субміліметрового діапазонів довжин хвиль. На підставі проведеного теоретичного аналізу і експериментальних досліджень вперше обгрунтувана можливість застосування функціонала, що використовується в антенній техніці при знаходженні коефіцієнту використання поверхні антен, для аналізу ефективності збудження коливань у відкритих електродинамічних системах. Встановлено, що кутову селекцію спектру коливань у відкритій електродинамічної системі можливо реалізувати за рахунок вибору геометричних розмірів елементів звязку, які забезпечують збудження основного коливання в резонансному обємі з максимальною ефективністю. Знайдено, що при переході через таку точку взаємодіючі коливання обмінюються енергією і взаємно перетворюються, і у взаємодію вступають лише ті коливання, які відносяться до одного класу симетрії.

Основний зміст роботи

У дисертації представлено вирішення актуальної проблеми радіофізики, повязаної з встановленням особливостей ефективного збудження і механізмів формування полів коливань в малорозмірних резонансних системах за рахунок оптимального вибору параметрів зосереджених і розподілених неоднорідностей на їх дзеркалах. Проблема вирішена на підставі теоретичних і експериментальних досліджень фізичних процесів у відкритих електродинамічних системах при зміні форми, розмірів і місця розташування внутрішніх неоднорідностей. Практичне значення отриманих результатів полягає у розробці малорозмірних відкритих електродинамічних систем, які знайдуть застосування при вирішенні широкого кола наукових і прикладних задач радіофізики міліметрового і субміліметрового діапазонів довжин хвиль.

Основні наукові та практичні результати дисертації полягають в наступному: 1. На підставі проведеного теоретичного аналізу і експериментальних досліджень вперше обгрунтувана можливість застосування функціонала, що використовується в антенній техніці при знаходженні коефіцієнту використання поверхні антен, для аналізу ефективності збудження коливань у відкритих електродинамічних системах. Показано, що при використанні відкритого резонатора у складі хвилеводної лінії передачі для здобуття максимальної ефективності збудження коливань доцільно застосовувати резонатор напівсферичної геометрії. Отримані результати можуть бути використані для оцінки ефективності збудження різних коливань у резонансній системі при відомому амплітудному і фазовому розподілі збуджующего поля.

2. Встановлено, що кутову селекцію спектру коливань у відкритій електродинамічної системі можливо реалізувати за рахунок вибору геометричних розмірів елементів звязку, які забезпечують збудження основного коливання в резонансному обємі з максимальною ефективністю. Отримані результати можуть бути використані при побудові вимірювальних пристроїв міліметрового і субміліметрового діапазонів довжин хвиль на базі відкритих резонаторів.

3. Вперше у малорозмірній відкритій електродинамічній системі (

IMG_758ff5a2-fc6e-4179-93bd-4708d5c9b4b9 = 10-15,

IMG_cae7cd92-f2d5-421e-87e6-5d941b8d852a = 3-5), що містить дисперсійний елемент у вигляді відбивної дифракційної грати, експериментально виявлено невироджену особливу точку спектру. Проаналізовано поведінку навантажених добротностей і дисперсійних залежностей взаємодіючих коливань при перебудові відкритого резонатора поблизу такої точки. Методом пробного тіла проведено вивчення амплітудного розподілу полів взаємодіючих коливань в поперечному перерізі резонатора. Знайдено, що при переході через таку точку взаємодіючі коливання обмінюються енергією і взаємно перетворюються, і у взаємодію вступають лише ті коливання, які відносяться до одного класу симетрії. Така поведінка взаємодіючих коливань якраз і характерна для невиродженої особливої точки спектру. Отримані результати знайшли застосування при побудові генераторів дифракційного випромінювання, що мають високу стабільність частоти.

4. Вперше в напівсферичному відкритому резонаторі експериментально виявлено наявність коливань типу "шепочучої галереї", які локалізовані на криволінійній поверхні сферичного дзеркала резонатора. Ці коливання взаємоповязані з основним коливанням резонансної системи. Також показано, що коливання типу "шепочучої галереї" можуть збуджуваться не лише в традиційних довгофокусних, але і в малорозмірних резонансних системах, для яких порушується умова квазіоптики

IMG_f9ce9f5b-ff5a-4add-8ada-0e9d76f63aec . При використанні відкритого резонатора як вимірювальному інструменту, необхідно враховувати можливість збудження таких коливань, які погіршують спектральні характеристики резонансної системи.

5. Встановлено, що за допомогою вищих типів коливань можна створювати відкрити резонатори прохідного типу з апертурним звязком. При цьому, вибираючи відповідним чином параметри (період і коефіцієнт заповнення) одновимірних дифракційних грат (

IMG_3df9abfc-ff7d-4939-9ecf-c5f08dae76f3 -поляризація), що розташовуються в розкривах елементів звязку, можна створювати відкриті електродинамічні системи прохідного типу, що мають наперед задані параметри, такі як навантажена добротність, резонансні коефіцієнти відбиття і передачі. Отримані результати можуть знайти практичне застосування при створенні фільтрів на базі відкритих резонаторів.

6. Показано, що в відкритому резонаторі, розміри апертур дзеркал якого становлять кілька довжин хвиль, діаметр плями поля основного коливання на поверхнях відбивачів не може бути менше довжини хвилі

IMG_217b6939-9f3f-4a00-a50c-a70ce449a3f0 . Це і визначає межу зменшення геометричних розмірів дзеркал відкритого резонатора. В той же час спроби сфокусувати пучок Гауса в резонаторі до розмірів менше

IMG_9feafd6c-56f4-4d51-a59c-09172b82e57a призводять до збільшення розміру плями поля за рахунок акумуляції частини енергії хвилевого пучка поблизу його горловини у вигляді неоднорідних плоских хвиль. Отриманий результат має важливе практичне значення при мініатюризації електровакуумних приладів і пристроїв, основним елементом конструкції яких є відкрита електродинамічна система.

7. Знайдено, що якщо орієнтація щілин звязку на сферичному дзеркалі та діаметр відрізку круглого хвилеводу з поршнем в центрі плоского дзеркала вибираються за умови досягнення максимальної ефективності збудження хвилі TE01 в цьому хвилеводі, то резонансна система має одночастотній відгук в широкій смузі частот (близько 10 ГГЦ), а збуджуване в ній коливання є аксиально-симетричним. Таке коливання називається "волове око" і вперше збудити його вдалося завдяки запропонованій резонансній системі і способу її збудження. Експериментальні дослідження також показали, що кільцева металева поверхня плоского відбивача фактично не бере участь у формуванні коливання в резонансній системі. Запропонована відкрита електродинамічна система знайшла застосування для вимірювання електрофізичних параметрів речовин з великими втратами в міліметровому діапазоне довжин хвиль. Подібна резонансна система відкриває принципово нові можливості при побудові обернених коаксіальних магнетронів в міліметровому діапазоні довжин хвиль. Ще одне з можливих застосувань відкритої електродинамічної системи полягає в створенні накопичувачів потужності з високими рівнями вихідної потужності.

8. Запропоновано напівсферичний відкритий резонатор з навантажувальним елементом в вигляді відрізку надрозмірного коаксіального хвилеводу в центрі плоского дзеркала. При визначеній оріентації щілин звязку у цьому хвілеводі ефективно збуджуеться ТЕМ хвиля, а сам відкритий резонатор має одночастотний відгук в широкій смузі частот (близько 10 ГГЦ). В цьому випадку в резонансній системі також збуджуеться коливання "волове око", яке на відміну від аналогічного коливання, описаного у попередньому пункті, має

IMG_c7a80cd8-522a-4139-9390-24437c1c1c82 - компоненту поля. За рахунок винесення активного елементу з резонансного обєму в такій системі досить просто узгоджувати імпеданс відкритого резонатора і напівпровідникового діода. Через високі селектуючі властивості резонатор з відрізком надрозмірного коаксіального хвилеводу є надзвичайно перспективним при створенні помножувачів частоти і генераторів гармонік, що дозволить отримати генерацію за допомогою твердотільних джерел в субміліметровому діапазоні.

9. Для збільшення резонансного коефіцієнта передачі через відкриту електродинамічну систему запропоновано використовувати активну мікросмужкову гратку, яка конструктивно обєднана з транзисторним підсилювачем потужності в єдиний модуль і розташована на плоскому дзеркалі. Експериментально показано, що резонансний коефіцієнт передачі такої системи виріс на 7 ДБ в порівнянні з резонатором, що збуджується пасивною мікросмужкової граткої. Напівсферичний відкритий резонатор, що збуджується активною мікросмужковою граткою, може бути з успіхом застосований для дослідження електрофізичних параметрів і контролю товщини листових матеріалів з великими втратами, а також речовин, до складу яких входить вода.

10. Експериментально показана принципова можливість узгодження імпедансу високоомного відкритого резонатора і низькоомної мікросмужкової граткі, що розташована на плоскому дзеркалі. З урахуванням отриманих результатів запропоновано та досліджено суматор потужності діодів Ганна восьмиміліметрового діапазону довжин хвиль. В результаті проведених експериментальних досліджень показано принципову можливість побудови генераторів і суматорів потужності в міліметровому діапазоні довжин хвиль на базі відкритих електродинамічних систем, що містять мікросмужкові антени. Практична значимість отриманих результатів полягає в тому, що комбінація відкритих електродинамічних систем і інтегральних технологій відкриває нові можливості для створення генераторів і суматорів потужності в міліметровому діапазоні довжин хвиль.

1. Кузьмичев И.К. Зеркально - линзовый открытый резонатор / И.К. Кузьмичев // Распространение радиоволн в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах: сб. науч. тр. / НАН Украины. Ин-т радиофизики и электроники. - Харьков, 1995. - С. 121-131.

2. Кузьмичев И.К. Экспериментальное обнаружение и исследование морсовской критической точки дисперсионного уравнения генератора дифракционного излучения / И.К. Кузьмичев, В.П. Шестопалов // Доповіді НАН України. - 1996. - № 12. - С. 90-95.

3. Кузьмичев И.К. Влияние отражательной дифракционной решетки на взаимодействие между типами колебаний в открытом резонаторе вблизи морсовской точки / И.К. Кузьмичев // Доповіді НАН України. - 1997. - № 12. - С. 93-96.

4. Кузьмичев И.К. Типы колебаний составного двухуровневого открытого резонатора / И.К. Кузьмичев, Б.К. Скрынник // Радиофизика и электроника: сб. науч. тр. / НАН Украины. Ин-т радиофизики и электроники. - Харьков, 1998. - Т. 3, № 2. - С. 43-46.

5. Воробьев С.Н. Экспериментальное исследование резонансного отражения плоской электромагнитной волны от редкой ленточной решетки / С.Н. Воробьев, И.К. Кузьмичев // Журнал технической физики. - 1998. - Т. 68, № 5. - С. 138-140.

6. Кузьмичев И.К. Экспериментальное обнаружение колебаний типа "шепчущая галерея" в открытом резонаторе / И.К. Кузьмичев // Доповіді НАН України. - 1999. - № 7. - С. 75-78.

7. Кузьмичев И.К. Выбор диаметра зонда для исследования распределений поля в малоапертурных открытых резонаторах / И.К. Кузьмичев // Радиофизика и электроника: сб. науч. тр. / НАН Украины. Ин-т радиофизики и электроники. - Харьков, 2000. - Т. 5, № 2. - С. 92-95.

8. Кузьмичев И.К. Согласование квазиоптических открытых резонаторов с волноводной линией передачи / И.К. Кузьмичев // Изв. вузов. Радиофизика. - 2000. - Т. 43, № 4. - С. 325-334.

9. Кузьмичев И.К. Междутиповое взаимодействие колебаний в открытом резонаторе / И.К. Кузьмичев // Изв. вузов. Радиофизика. - 2001. - Т. 44, № 7. - С. 600-605.

10. Кузьмичев И.К. О предельных возможностях уменьшения размеров зеркал открытых резонаторов / И.К. Кузьмичев, А.С. Тищенко, К. Шенеманн // Изв. вузов. Радиофизика. - 2002. - Т. 45, № 6. - С. 509-515.

11. Кузьмичев И.К. Эффективностьвозбуждения колебаний в открытом резонаторе, включенном в волноводную линию передачи / И.К. Кузьмичев // Изв. вузов. Радиофизика. - 2003. - Т. 46, № 1. - С. 41-51.

12. Архипов А.В. Микрополосковая решетка в открытом резонаторе / А.В. Архипов, И.К. Кузьмичев, И.И. Резник, Д.Г. Селезнев // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. - 2004. - Т. 7, № 4. - С. 7-11.

13. Воробьев Г.С. Возбуждение колебаний в открытом резонаторе сосредоточенными элементами связи / Г.С. Воробьев, И.К. Кузьмичев // Вісник СУМДУ. Серія "Фізика, математика, механіка". - 2004. - № 10. - С. 238-242.

14. Архипов А.В. Квазиоптическая резонансная система для твердотельного генератора / А.В. Архипов, О.И. Белоус, И.К. Кузьмичев, А.С. Тищенко // Радиофизика и радиоастрономия. - 2005. - Т. 10, № 2. - С. 166-171.

15. Кузьмичев И.К. Эквивалентные схемы представления открытого резонатора / И.К. Кузьмичев // Радиофизика и радиоастрономия. - 2005. - Т. 10, № 3. - С. 303-313.

16. Архипов А.В. Открытый резонатор с активной микрополосковой решеткой / А.В. Архипов, И.К. Кузьмичев, О.Г. Нечаев, Д.Г. Селезнев// Радиофизика и радиоастрономия. - 2006. - Т. 11, № 4. - С. 378-384.

17. Kuzmichev I.K. An open resonator for physical studies / I.K. Kuzmichev, P.N. Melezhik, A.Ye. Poyedinchuk // International Journal of Infrared and Millimeter Waves. - 2006. - Vol. 27, No. 6. - P. 857-869.

18. Архипов А.В. Сложение мощностей диодов Ганна в открытом резонаторе с микрополосковой решеткой / А.В. Архипов, О.И. Белоус, И.К. Кузьмичев, И.И. Резник, Д.Г. Селезнев // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. - 2007. - Т. 10, № 4. - С. 20-24.

19. Архипов А.В. Открытый резонатор с отрезком коаксиальной линии передачи /

А.В. Архипов, И.К. Кузьмичев, А.Ю. Попков // Вісник СУМДУ. Серія "Фізика, математика, механіка". - 2008. - № 2. - С. 157-166.

20. Попков А.Ю. Объемные резонаторы в виде тел вращения сложной формы: численный алгоритм расчета спектра / А.Ю. Попков, А.Е. Поединчук, И.К. Кузьмичев // Радиофизика и электроника: сб. науч. тр. / НАН Украины. Ин-т радиофизики и электроники им. А.Я. Усикова. - Харьков, 2008. - Т. 13, № 3. - С. 473-480.

21. Kuzmichev I.K. Exitation efficiency of quasioptical resonance systems / I.K. Kuzmichev // Telecommunications and Radio Engineering. - 2009. - Vol. 68, No. 1. - P. 49-63.

22. Kuzmichev I.K. Quasioptical resonance systems with internal inhomogeneities / I.K. Kuzmichev // Telecommunications and Radio Engineering. - 2009. - Vol. 68, No. 4. - P. 299-317.

23. Пат. на винахід 67978 А Україна, МПК7 G01 R27/26. Відкритий резонатор для вимірювання діелектричної проникності матеріалів / Кузьмичов І.К., Глибицький Г.М., Мележик П.М.; заявник та патентовласник Ін-т радіофізики та електроніки им. О.Я. Усикова НАН Україны. - № 2003077095; заявл. 28.07.2003; опубл. 15.07.2004, Бюл. № 7.

24. Пат. на винахід 76521 Україна, МПК7 Н03 В7/00. Генератор НВЧ/Архипов О.В., Білоус О.І., Кузьмичов І.К.; заявник та патентовласник Ін-т радіофізики та електроніки им. О.Я. Усикова НАН Україны. - № 20040403118; заявл. 27.04.2004; опубл. 15.08.2006, Бюл. № 8.

25. Пат. на корисну модель 5629 Україна, МПК7 G01 R27/26. Пристрій для визначення діелектричної проникності і тангенса кута втрат матеріалів / Глибицький Г.М., Кузьмичов І.К.; заявник та патентовласник Ін-т радіофізики та електроніки им. О.Я. Усикова НАН Україны. - № 20040706089; заявл. 22.07.2004; опубл. 15.03.2005, Бюл. № 3.

26. Воробьев С.Н. Экспериментальное исследование резонансного отражения плоской электромагнитной волны от редкой ленточной решетки / С.Н. Воробьев, И.К. Кузьмичев // Прямі та обернені задачі теорії електромагнітних та акустичних хвиль: міжнар. семінар, 15-17 вересня 1997р.: тези доп. - Львів, 1997. - С. 9-11.

27. Kuzmichev I.K. "Bush" oscillations in a diffraction radiation oscillator / I.K. Kuzmichev, B.K. Skrynnik // Third International Kharkov Symposium "Physics and Engineering of Millimeter and Submillimeter Waves": inter. conf., 15-17 September 1998: conf. proc. - Kharkov, 1998. - Vol. 1. - P. 224-226.

28. Kuzmichev I.K. Experimental detection and analysis of the morse critical point of open electrodynamical structure involved in diffraction radiation oscillator / I.K. Kuzmichev // Third International Kharkov Symposium "Physics and Engineering of Millimeter and Submillimeter Waves": inter. conf., 15-17 September 1998: conf. proc. - Kharkov, 1998. - Vol. 1. - P. 227-229.

29. Vorobiov S.N. Resonant reflection of electromagnetic wave thin strip grating /

S.N. Vorobiov, I.K. Kuzmichev // Third International Kharkov Symposium "Physics and Engineering of Millimeter and Submillimeter Waves": inter. conf., 15-17 September 1998: conf. proc. - Kharkov, 1998. - Vol. 2. - P. 607-609.

30. Kuzmichev I.K. Small-aperture open resonators: the maximum possible miniaturization / I.K. Kuzmichev, K. Schuenemann, A.S. Tishchenko // Fourth International Kharkov Symposium "Physics and Engineering of Millimeter and Submillimeter Waves": inter. conf., 4-9 June 200: conf. proc. - Kharkov, 2001. - Vol. 2. - P. 621-623.

31. Kuzmichev I.K. Analysis of open resonator oscillation efficiency by equivalent scheme method / I.K. Kuzmichev // Fifth International Kharkov Symposium "Physics and Engineering of Millimeter and Submillimeter Waves": inter. conf., 21-26 June 2004: conf. proc. - Kharkov, 2004. - Vol. 2. - P. 612-614.

32. Archipov A.V. Microstrip array in open resonator / A.V. Archipov, I.K. Kuzmichev, I.I. Reznik, D.G. Seleznyov // Tenth international seminar / workshop on "Direct and inverse problems of electromagnetic and acoustic wave theory": inter. seminar, 12-15 September 2005: seminar proc. - Lviv, 2005. - P. 67-70.

33. Архипов А.В. Квазиоптическая резонансная система для твердотельного генератора / А.В. Архипов, О.И. Белоус, И.К. Кузьмичев, А.С. Тищенко // 16-я Международная Крымская конференция "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии": междунар. конф., 11-15 сентября 2006 г.: тез. докл. - Севастополь, 2006. - Т. 2. - С. 571-572.

34. Архипов А.В. Открытый резонатор с активной микрополосковой решеткой / А.В. Архипов, И.К. Кузьмичев, О.Г. Нечаев, Д.Г. Селезнев // V Международная научно-техническая конференция "Физика и технические приложения волновых процессов": междунар. науч.-техн. конф., 11-17 сентября 2006 г.: тез. докл. - Самара, 2006. - С. 170.

35. Архипов А.В. Активная микрополосковая решетка в квазиоптической резонансной системе / А.В. Архипов, И.К. Кузьмичев, О.Г. Нечаев, Д.Г. Селезнев// Излучение и рассеивание электромагнитных волн: междунар. науч. конф., 25-30 июня 2007 г.: тез. докл. - Таганрог, 2007. - Т. 1. - С. 205-208.

36. Кузьмичев И.К. Квазиоптическая резонансная система для диэлектрометрии / И.К. Кузьмичев, А.Е. Поединчук // Излучение и рассеивание электромагнитных волн: междунар. науч. конф., 25-30 июня 2007 г.: тез. докл. - Таганрог, 2007. - Т. 1. - С. 169-173.

37. Archipov A.V. Quasioptical power combiner of gunn diodes / A.V. Archipov, O.I. Belous, I.K. Kuzmichev, I.I. Reznik, D.G. Seleznyov // Sixth International Kharkov Symposium on "Physics and Engineering of Millimeter and Submillimeter Waves and Workshop on Teraherts Technologies": inter. conf., 25-30 June 2007: conf. proc. - Kharkov, 2007. - Vol. 2. - P. 732 - 734.

38. Архипов А.В. Сумматор мощности на основе открытого резонатора с микрополосковой решеткой / А.В. Архипов, О.И. Белоус, И.К. Кузьмичев, И.И. Резник, Д.Г. Селезнев // VII Международная научно-техническая конференция "Физика и технические приложения волновых процессов": междунар. науч.-техн. конф., 17-21 сентября 2007 г.: тез. докл. - Казань, 2007. - С. 89-90.

39. Попков А.Ю. Открытый резонатор для измерения диэлектрической проницаемости сильнопоглощающих веществ / А.Ю. Попков, И.К. Кузьмичев, А.Е. Поединчук // 18-я Международная Крымская конференция "СВЧ-техника и телекоммуникацмонные технологии": междунар. конф., 8-12 сентября 2008 г.: тез. докл. - Севастополь, 2008. - Т. 2. - С. 485-486.