Открытый резонатор

 

Изобретение относится к технике СВЧ и может быть использовано в качестве частотно-избирательных цепей тракта. Цель изобретения - обеспечение пространственного разделения двух близких по частоте рабочих видов колебаний. Открытый резонатор содержит отрезок диэлектрического волновода,- размещенный между двумя металлическими зеркалами (МЗ), снабженными по крайней мере, одним элементом связи. Между металлическими зеркалами введен второй идентичный отрезок диэлектрического волновода и дополнительные элементы связи, размещенные на МЗ. Первый и второй ОДВ выполнены плоскими и установлены под угло.м р один над другим, а их оси лежат в одной плоскости. Толщина d этих ОДВ и расстояние dc между ними в середине между МЗ выбраны из условий, связывающих параметры геометрии (d, dc, p) и параметры диэлектрических материалов со средней длиной волны и резонансными частотами двух близких по частоте рабочих видов колебаний . Благодаря введению второго ОДВ и его размещению, а также выполнению,ограничительных условий достигается нерегулярность связи ОДВ, благодаря чему обеспечивается пространственное разделение двух близких по резонансным частотам рабочих видов колебаний и возможность раздельной регулировки их внешних связей на МЗ. 1 ил. (Л

Сг>,ОЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИ <ЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 Н 01 P 7/10

ГОСУДАРСТВЕННОЕ l1ATEHTHOE

ВЕДОМСТВО СССР (ГОспАтент сссР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

3 сои! яя

1LAI я(!.. ";„ч :Л "у;,,. (гд

d «ЯР/2VF

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4833414/09 (22) 30.05,90 (46) 07.04.93. Бюл. N 13 (71) Институт радиофизики и электроники

АН УССР (72) Ю. Ф. Филиппов и С. Н, Харьковский (56) Безбородов Ю. M. и др. Фильтры СВЧ на диэлектрических резонаторах. Киев: Техника, 1989, с. 91, Нефедов Е, И. Открытые коаксиальные резонансные структуры. M,: Наука, 1982, с, 12, (54) ОТКРЫТЫЙ РЕЗОНАТОР (57) Изобретение относится к технике СВЧ и может быть использовано в качестве частотно-избирательных цепей тракта, Цель изобретения — обеспечение пространственного разделения двух близких по частоте рабочих видов колебаний. Открытый резонатор содержит отрезок диэлектрического волновода; размещенный между двумя металлическими зеркалами (МЗ), снабженными по крайней мере, одним элементом связи, Между метаЛлическими зеркалами

Изобретение относится к технике СВЧ, а именно к резонансным устройствам, и может найти применение в системах связи, радиолокации, устройствах неразрушающего контроля материалов, а также в других областях, где используются средства передачи, приема и обработки информации в миллиметровом и субмиллиметровом (мм и субмм) диапазонах длин волн.

Целью настоящего изобретения является обеспечение пространственного разделения двух соседних по частоте рабочих видов колебаний.

Поставленная цель достигается тем, что в известный oTY pblTl,lvl резонатор, содержа„.,5U 1807538 А1 введен второй идентичный отрезок диэлектрического волновода и дополнительные элементы связи, размещенные на МЗ. Первый и второй ОДВ выполнены плоскими и установлены под углом г/> один над другим, а их оси лежат в одной плоскости, Толщина d этих

ОДВ и расстояние d< между ними в середине между М3 выбраны из условий, связывающих параметры геометрии {d, dc, ф и параметры диэлектрических материалов со средней длиной волны и резонансными частотами двух близких по частоте рабочих видов колебаний. Благодаря введению второго ОДВ и его размещению, а также выполнению, ограничител ь н blx условий достигается нерегулярность связи ОДВ, благодаря чему обеспечивается пространственное разделеwe двух близких по резонансным частотам рабочих видов колебаний и воэможность раздельной регулировки их внешних связей на МЗ, 1 ил, щий отрезок диэлектрического волновода, размещенный между двумя металлическими зеркалами, снабженный по крайней мере одним элементом связи, введен второй идентичный отрезок диэлектрического волновода, при этом первый и второй отрезки диэлектрического волновода выполнены планарно и установлены один над другим под углом д>, причем их продольные оси лежат в одной плоскости, а толщина d отрезков диэлектрического волновода и расстояние d между ними в середине между металлическими зеркалами выбраны из условий

1В0753В

46и — Я 2 ф2 Ko (m /К2 Ko . к (1/- 2К2 К2 . ) + 7п2Ko + Kzn)3 р а2atctg- дс (3) о гД, 1 (7Ь ка к к tg vm Ktt — K» d — rrPVKt к, m K„— К7(»2/КГ„:КГ tg(trm rr. — К,. d)+ m К. + Kz,11

Элемент связи, например, в виде пря< 2агс1

4с моу гол ь ного отверстия 7 вы пол не н симметрично относительно оси симметрии В системы при р= О, Элементы связи, напри2л K 2 à мер, в виде прямоугольных отверстий связи

/ Ф

Хр " 9 и 10.выполнены в зеркале 4 симметрично

c — скорость света в вакууме, + — сред- осям 5 и б отрезков волновода 1 и 2, няя резонансная длина волны рабочих ви- Предлагаемый открытый резонатор радов колебаний с частотами f> и f2, L — длина 55 ботает следующим образом. В него через отрезков диэлектрического волновода 1 и 2, отверстие связи 7 подается высокочастотm и к — показатель преломления и диэлекный сигнал, включающий соседние частоты трическая проницаемость их материала cof> и f2. При выбранных толщине о отрезков диэлектрического волновода 1 и 2, рассто;— ответстве н но. нии дс между ними в середине между -. ркаГдЕ Яр = 2C/(f) + f2), Ko = тр-,,Kzn

10 с — скорость света в вакууме, i — средняя резонансная длина волны рабочих ви- дов колебаний с частотами f1 и f2, — длина отрезков диэлектрического волновода, m u

F. — показатель преломления и диэлектриче- . ская проницаемость их материала соответственно, По анализу патентной и научно-техниче- 20 ской литературы авторам неизвестны работы, в которых описывается или используется открытый резонатор с двумя идентичными планарными отрезками диэлектрического волновода, установленными под углом друг к 25 другу между металлическими зеркалами, который обеспечивает пространственное разделение двух соседних по частоте рабочих видов колебаний. Неизвестны также теоретические и экспериментальные работы по про- 30 странственно-частотному расщеплению полей в таком резонаторе.

Положительный эффект в предлагаемом изобретении достигается за счет того, что при выбранных размерах отрезков волново- 35 да и их взаимного положения согласно выражений (1) — (3) в такой системе происходит взаимодействие четных и нечетных ее колебаний с разными продольными индексами и и и 1, которые вырождены по частоте при 40 р= О. Условие (1) определяет одномодовость отрезков в диэлектрическом вол новоде в поперечном сечении, что в совокупности с другими признаками работает на достижение положительного эффекта, Выражение для

dc (2), Яр, Ко, Kzn определяют точки совпадения частот n-ro четного и (и — 1)-го нечетного колебаний предлагаемого резонатора, Введение угла р между отрезками волноводов приводит к их резонансной перестройке.

Образуются два рабочих вида колебаний с близкими частотами f1 и f2, поле которых не связаны и пространственно разделены на металлических зеркалах, что невозможно в прототипе. Это обнаружено авторами впервые, Предел изменения р согласно (3) соответствует крайнему положению наклона одного отрезка вол новода к другому, т.е. это условие следует из самой конструкции резонатора, Изменение угла р согласно (3) регулирует разнос между 01 и 12.

На чертеже схематическое изображение предлагаемого резонатора.

Предлагаемый открытый резонатор содержит первый 1 и второй 2 идентичные отрезки планарного диэлектрического волновода, металлические зеркала 3 и 4. Отрезки диэлектрического волновода 1 и 2 установлены один над другим под углоМ р, причем их продольные оси 5 и 6 лежат в одной плоскости, Толщина d отрезков диэлектрического волновода 1 и 2 и расстояние бс между ними в середине между металлическими зеркалами выбраны из условий:

1807538

Изобретение иллюстрируется спепук> щим примером.

В связи с тем, что физико-технические основы предлагаемого резонатора основа

5 ны на эффектах, обнаруженных впервые теоретически и экспериментально авторами предлагаемого технического решения и сведений о которых нет в отечественной и зарубежной литературе, описание исследований

10 совместим с примером реализации предлагаемого устройства.

Решая систему уравнений Максвелла и удовлетворяя условиям непрерывности полей на границах раздела различных сред

15 структуры, получаем дисперсионное уравнение, определяющее собственные частоты

Е колебаний (Ех, Ey, Hy компоненты полей отличны от нуля);

20 дКь — Kg tg(Kgd) д Кь т.с(гдКь tg x х (Kgd) + Kgl = О, (I и) где г, = th (Kbd

zc =- с th (Кь dc/2) — для нечетных колебаний

Кд и Кь — поперечные компоненты волновых векторов соответственно в диэлектрике и в вакууме, Из этого уравнения легко получить выражение для случаев вырождения по частоте четных и нечетных колебаний с разными

35 продольными индексами и и (n — 1):

z„ t (EtK,-, <) E k „- К

Ьпth

E )к,„-K,(E, ê,.-к . к (4е,к.-к, „д1

=Arith (E à — "„ )-к . 6т,„g) i

s(( и соответствующее условие (2) для определения d<. Влияние неоднородности в структуре приводит к снятию этого вырождения, Покажем это, используя интегральное уравнение, получаемое иэ системы уравнений 40

Максвелла

= N AEV*пEdV (2n) 45 лами 3 и 4 и угле р, под которым установлены отрезки 1 и 2, в нем возбуждаются колебания с частотами fi u fz. Эти колебания являются результатом взаимодействия двух вырожденных при I/ = 0 колебаний на частоте

fp = - = =(т1 + f2)/2: четного и нечетного с колебаний системы двух отрезков волновода 1 и 2 и имеющих разные продольные индексы и и (n — 1), где и — число полуволн в системе вдоль L. Каждое из колебаний с частотами f1 и fz можно представить как пространственное биение волн, образующих вырожденное колебание. Биения проявляются в периодической перекачке энергии поля вдоль L из одного отрезка волновода, например, 1 во второй и обратно, Экспериментально установлено, что мощности, соответствующие частотам f< и f2, лерекачиваются в противофазе, В результате на каждом из зеркал 3 и 4 поля колебаний частот f> и 2 локализуются над торцами различных отрезков волновода 1. и 2, т.е. обеспечивается пространственное разделение двух соседних по частоте рабочих видов колебаний. При этом пятна их полей на зеркалах 3 и 4 частично перекрываются в области продольной оси системы 8 таким образом, что они могут одновременно возбуждаться, например, через отверстие связи 7 (фиг, 1), и выводиться раздельно по двум частотным каналам f> и fz посредством, например, отверстий связи 9 и 10, В качестве элементов связи могут быть использованы полупрозрачные зеркала, зеркала в виде металлических решеток. (й) — en) ) (Е (х) Е*п Е + Н*п й)д Ч =

Здесь Ж вЂ” неоднородность в структуре, fl) и7, 1- — частота и напряженность полей при наличии неоднородности, сап и Е>, Йп— частота и поля одного из собственных колебаний структуры в отсутствии неоднородности.

Поля Е иЯ представим в аиде суперпозиции этих колебаний:

Н = g QpHp, Е =,, QpEp (Зп) При малой неоднородности основными в (2n) являются слагаемые, описывающие взаимодействие вырожденных четных и нечетных колебаний со смежными продольными индексами п и (n — 1), приводящее к расщеп18071>38 вению их на два колебания с малой разницей по частоте

1/2 Ь + =- + ri.a(an, n + s А + s, и)

S=-1,2 (4п) где Л„р = f ЖЕ,Е(И/Nf

Np = JK (х)1Еп) dV = f IHnlzdV — норма колебания. При неоднородности структуры за счет угла наклона р между отрезками волноводов hr = e- 1 и интегрирование ведется по пространству отклонения отрезков от их параллельности. В результате можно получить связь между Жо и hp

Д „>,+, г,> Р((К g d).4I 2(h/>)2

Экспериментальные исследования проведены в 8 мм диапазоне длин волн, Использовались отрезки диэлектрического волновода длиной L 12 см и толщиной

d 7,0 мм из фторопласта — 4, которые устанавливались между металлическими зер2 калами с отверстиями связи 7,0 х 0,1 мм, При d(: 0,7 мм наблюдалось взаимодейст- вие между четным колебанием системы с продольным индексом и = 37 и нечетным с

n = 36, При размещении отверстия связи на первом зеркале по центру высоты системы и включении резонатора на отражение наблюдались резонансы с 1137,220 ГГц и f237,030 ГГц, М регулировалось незначительным изменением угла наклона (р 1 . Исследованиями структуры полей колебаний методом пробного зонда обнаружено, что энергия поля с f1 локализуется на одном зеркале под торцом первого отрезка волновода и постепенно вдоль L переходит во второй и обратно, А энергия поля с fz— наоборот.

- При включении резонатора "на проход" таким образом, что на втором зеркале одно атверстие связи расположено в области торца первого отрезка волновода, а другое — второго, сигналы с частотами f1 и fz разделяются по двум отдельным частотным каналам, тракты которых подключены к соответствующим отверстиям связи, Таким образом, экспериментальные исследования подтверждают положительный эффект, который получен на основе неизвестного ранее явления пространственно частотного расщепления колебаний, Параметры изготовленного резонатора соответствуют соотношениям (1) — (3), Рассмотрим преимущества предлагаемого резонатора по сравнению с прототипом. При выбранных параметрах он может поддерживать электромагнитные колебаФормула изобретения

Открытый резонатор, содержащий отрезок диэлектрического волновода, размещенный между двумя металлическими зеркалами, снабженными по крайней мере

35 одним элементом связи, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью обеспечения пространственного разделения двух соседних по частоте рабочих видов колебаний, введен второй идентичный отрезок диэлектрического волно40 вода, первый и второй диэлектрические волноводы выполнены планарными и установлены один над другим под углом р, причем их продольные оси лежат в одной плоскости, а толщина d отрезков диэлектри45 ческого волновода и расстояние d< между ними в середине между металлическими зеркалами выбраны из условий

0 < d +/2É

a. = (1 Фк9„- к ) Aah (fv ê7:ê, „

19(ткГ=к9; a) — гпЧк . — к*.1/

55 (3 Яп K 19(9 Ko Ki a) +

+ 1/"1 О + гП)}, (ф 2 arctg (dc/L), ния мм и субмм диапазонов как на одной или нескольких резонансных так и на двух близких частотах, Локализация полей колебаний с близкими частотами происходит в

5 различных местах на зеркалах, Это обеспечивает пространственное разделение двух соседних по частоте рабочих видов колебаний, что невозможно в прототипе. Предлагаемый резонатор позволяет осуществить

10 пространственно раздельную связь с каждым иэ соседних по частоте колебаний. Это расширяет его функциональные возможности по сравнению с прототипом; из него можно извлекать (вводить) отфильтрованные

15 сигналы двух каналов с близкими частотами, т.е, использовать как частотно-разделительный/обьединительный фильтр. Он может обеспечить генерацию на двух близких частотах с раздельным выводом сигналов (двухча20 стотный генератор с возможностью стабилизации частоты), смешение частот сигнала и гетеродина (смеситель) и т.д„что непосредственно прототипом выполнено быть не может. Предлагаемый резонатор обеспе25 чивает положительный эффект в мм и субмм диапазонах, где известные кубические и сложной формы диэлектрические резонаторы теряют свои функциональные свойства, 10

1807538

10.

Составитель С, Харьковский

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор М. Андрушенко °

Редактор

Заказ 1383 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул,Гагарина, 101 где Яр = 2 с/(f > + fz);

Ко = 2 т Яр, Ккп = 2луе /alp, с — скорость света в вакууме, р — средняя резонансная длина волны рабочих видов колебаний;

L — длина отрезков диэлектрического

Волноводэ:

m u F — показатель преломления и эффективная диэлектрическая проницаемость их материала соответственно.