Открытый резонатор

 

ОПИСЛНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистически»

Реслублик () 924454 (61) Дополнительное к авт. свид-ву(22) Заявлено 15.12. 80 (21) 3218581/18-21 1 М g+ 3 с присоединением заявки № (23) ПриоритетН 01 J 23/18

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий

Опубликовано 151182. Бюллетень ¹42

Дата опубликования описания 1513.82 (531 УДК 621. 385. .6(088 ° 8) (72) Авторы изобретения

A.A. Вертий, С.A. Масалов, Н.А ° Попенко, Ю.К. Сиренко и В.П. Шестопалов

Ордена ТрУдового Красного Знамени институт радиофизики и электроники АН Украинской ССР (71) Заявитель (54) ОТКРЫТЫЙ РЕЗОНАТОР

Изобретение относится к технике

СВЧ, а именно к открытым резонаторам (ОР> мм и субмм диапазонов, и. .может найти применение в измерительной технике, в радиолокации, в радиоспектроскопии и др.

Известны открытые резонаторы,, состоящие из одного или более зеркал.

Отражающая поверхность открытых резонаторов с одним зеркалом представляет-собой поверхность вращения: цилиндрические и бочкообразные резонаторы. Цилиндрические ОР представляют собой отрезок трубы кругового сечения, открытый с обоих концов.

Бочкообразный резонатор образуется частью поверхности тора.

Общей особенностью описанных OP является их связь со свободным пространством и принцип формирования в них собственных типов колебаний.

Установившиеся колебания в OP образуются в результате интерференции парциальных волн полубесконечного волновода, отражающихся от его открытого конца. Когда длина .волны л. парциальной волны близка к критической Л = Л„р, то коэффициент отражения ее от открытого конца волновода близок к единице. Это условие

:является достаточным для формирования собственного колебания OP.

В зависимости от конфигурации зеркал и расстояния между ними в ОР возбуждается одно из собственных колебаний ТЕМ, где мну. — целвые чис.ла. Добротность колебания в значительной степени зависит от связи OP co свободным пространством, т. е. от дифракционных потерь (дП). дП в свою очередь определяются величиной коэффициента отражения парциальных волн, участвующих в формировании данного колебания ° При уменьшении апертуры зеркал увеличиваются ДП для высших типов колебаний, а в случае приближения к концентрической геометрии

OP - и дЛя основного типа колебаний(1), Однако для обеспечения работы OP на высокодобротных типах колебаний необходимо существенным образом увеличивать апертуру зеркал, что приводит к сгушению спектра колебаний. В то же время в ряде практических применений необходимо прн малых размерах зеркал иметь высокую добротность колебаний и достаточно редкий спектр.

Общим недостатком всех перечисленных вь»пе открытых резонансных систем является низкая добротность

97445я

З1и где колебаний при требуемых на практике небольших размерах зеркал.

Известны открытые резонаторы, содержащие по крайней мере два зеркала. Собственные, колебания в таких резонаторах формируются в результате последовательного отражения парциальной плоской волны от открытых концов волновода, образованного зеркалами ОР.Если jl парциальной плоской волны близка к критической = Л „р нолновода, то ее коэффициент отражения близок к единице и связь колеба-.

I ния со свободным пространством мийимальна.

Для создания ОР с высокой добротностью необходимо уменьшить ДП резонатора на данном колебании. Это достигается увеличением апертуры (а) зеркал ОР. Чем. больше а, тем для большего числа парциальных волн коэф фициент отражения от открытого конца стремится к единице, что приводит к уменьшению ДП высших типов колебания и, следовательно, к сгущению спектра ОР f23 °

В целом ряде случаев, например, в электронных генераторах ГДИ, в радиоспектрометрах мм диапазона, необходимо создать ОР, который наряду с высокой добротностью низших типов колебаний имел бы небольшие размеры зеркал.

Такие требования определяются высокими значениями необходимых магнит. ных полей. Поэтому желательно уменьшить зазоры между. полюсами магии- . 35 та, внутренний размер полости соленоида. В противном случае усложняется технология производства, а следовательно, и стоимость магнитных систем. Применение объемных резонаторов 4р в мм диапазоне,невозможно в виду их низких селективных свойств.

В силу перечисленных выше причин увеличение добротности OP традиционными методами, а именно путем увели- 45 чения апертуры зеркал, невозможно.

К недостаткам известных резонаторов в мм диапазоне следует отнести следующее. Резкое увеличение дифракционных потерь колебаний OP npu умЕньшении апертуры зеркал, а следовательно, уменьшение добротности. колебаний ° Так как дифракционные потери колебаний увеличиваются при увеличении индекса колебания, то невозможно создать резонатор с малой апертурой и высокой добротностью высших модов, т. е. невозможно управлять спектром такого резонатора.

Следовательно, для создания резонатора, удовлетворяющего требованиям. практики, необходимо свести кминимуму влияния апертуры на добротность собственных колебаний OP.

В открытых резонаторах, отражающая поверхность котооых поедставляет 65 собой поверхность тела вращения, собственные колебания формируются в результате сильных отражений от концов. Причем с ростом индекса колебания щ затухание увеличивается значительно медленнее, чем в случае двухзеркальных OP. Спектр колебаний такого резонатора густой, а добротность невысока. Поэтому для создания цилиндрического OP с высокими селективными свойствами необходимо разделить по потерям колебания с различными индексами.

Следовательно, к недостаткам известного резонатора следует отнести низкую добротность колебаний, свя4 ванную с высокими дифракционными отерями, и густой спектр резонансных частот.

Цель изобретения — увеличение добротности колебаний заданного участка спектра открытого резонатора эа счет уменьшения из дифракционных потерь.

Укаэанная цель достигается тем, что в открытом резонаторе, содержащем по крайней мере одно зеркало, на периферийной части по крайней мере одного из зеркал на расстоянии, равном радиусу пятна поля заданного уН, -oro колебания, нанесена периодическая структура. Причем параметры этой периодической структуры удовлетворяют соотношению е

Ж=

- период структуры,,1 - длина волны, — угол падения парциальной плос и кой волны, P — номер автоколлимирующей гармоники при этом поверхность зеркала совпадает с эквивалентной отражающей поверхностью периодической структуры.

На фиг. 1 показана конструкция предлагаемого открытого резонатора, состоящего из двух зеркал; на фиг. 2периодическая структура типа эшелетт, на фиг. 3 — конструкция предлагаемого цилиндрического резонатора.

Открытый резонатор содержит два зеркала 1 и 2, центры которых расположены на оси резонатора, а касательные к поверхности зеркал 1 и 2 в этих центрах параллельны друг другу.

К зеркалу 2 подсоединен элемент 3 связи, представляющий собой прямоугольный волновод сужающийся по узкой стенке до размера 0,1 мм.

Зеркала 1 и 2 могут быть сферическими, цилиндрическими и плоскими.

На перифирийной части одного или обоих зеркал 1 и 2 на расстоянии, 974454

МИ%„т„ где

Ж=— е

Л

- период структуры, Х вЂ” длина волны, Ф вЂ” угол падения парциальной плоской волны; ми

P - номер автоколлимирующей гармоники, рри этом поверхность зеркала 2 совпадает с эквивалентной отражающей поверхностью периодической структуры 4.

Эквивалентная отражающая поверхность находится на расстоянии ьр от верхнего края периодической структу-ры 4, причем

35 Ha - = оо и рассчитав ее для углов падения 9, можно существенным образом подавить низшие типы колебаний, увеличив при этом добротность основного. В полуконфокальном резонаторе в случае вырождения высших

40 типов колебаний ПС его снижают. При

-этом можно управлять спектром и добротностью колебаний ОР.

Расчет показывает, что при определенных условия, накладываемых на

<5 ПС, отражение может быть полным.

Предлагаемый открытый резонатор по сравнению с известными обеспечивает повышение добротности колебаний заданного участка спектра путем

50 уменыаения их ДП. Это достигается увеличением коэффициента отражения парциальных плоских волн, формирующих колебание, за счет применения периодической структуры, работающей

55 в автоколлимационном режиме ° Изменяя соответствующим образом параметры периодической структуры и расстояние, можно управлять спектром ОР.

Изобретение может найти примене60 ние в тех областях техники, где необходимы высокодобротные резонаторы с заданными параметрами, например в генераторах дифракционного излучения для увеличения области "захва65 та" дифракционного излучения, в твергде, равном радиусу пятна поля vn, g --огс колебания, нанесена периодическая структура 4, параметры которой удовлетворяют следующему соотношению

Х 1мсозЩ,„„ где grj ap — фаза отраженной волны, зависящая от параметров периодической структуры °

Периодическая структура 4 может быть выполнена в виде гребенки или эшелетта. Для зеркал 1 и 2 круглой апертуры ламели периодической струк:туры 4 перпендикулярны радиусу зеркала 2. Периодическая структура 4 на,несена в виде концентрических окруж,ностей.

В случае прямоугольной апертуры .ламели периодической структуры параллельны широкой стенке элемента

3 связи. В многоэеркальных открытых резонаторах периодическая структура наносится аналогично описанному на

:одно или несколько зеркал резонатоgapa.

В другом варианте зеркало открытого резонатора представляет собой отрезок цилиндрической трубы. 5, на

:концах которой нанесена периодичес-! кая структура 4.

Параметры периодической структуры

4 удовлетворяют соотношению

М= "и Мюи

I °

1

Ю - период структуры, - длина волны; — угол падения парциальной вн плоской волны; — номер автоколлимирующей гармоники при этом отражающая поверхность верка ла резонатора совпадает с эквивалентной отражающей поверхностью перио5

20, дической структуры 4, а расстояние

Ь определяется по той же формуле, что и .для двухзеркального резонатора.

Ламели периодической структуры 4 ориентированы перпендикулярно образующей цилиндра, а количество периодов структуры 4 не менее шести.

Принцип работы одинаков для всех предлагаемых типов резонаторов. Параметры.периодической структуры (ПС) удовлетворяют условию существования автоколлимационного режима, т. е. парциальная плоская волна, падающая под углом% „ на ПС, отражается обратно в сторону прихода. Поскольку собственное колебание OP задано спектром углов % „, то, выбирая параметры пе-.. риодической структуры в соответствии с соотношением ж-РЮм Ф,„„, обеспе-, чивается оптимальный коэффициент отражения периодической структуры именно для этого колебания. Тем савым .. уменьшаются ДП заданного колебания, а следовательно, увеличивается его добротность. Индексы колебаний и и и выбираются из условия обеспечения добротных колебаний на наружном участке спектра. Располагая периодическую структуру с параметрами, оптимальными для высших типов колебаний, можно существенным образом увеличить их добротность без снижения добротности низших типов. Или, разместив периодическую структуру

974454

Формула изобретения

/

Фис.

ВНИИПИ Заказ 8722/71 Тираж 761 Подписное

Филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проектная,4 дотельных генераторах для улучшения условий отбора мощности полупроводникового активного элемента, в спектрометрах мм диапазона, где необходимы высокодобротные OP с малыми апертурами, а также при создании электродинамических систем большой протяженности для поляризованных ядерных мишеней.

Открытый резонатор, содержащий по крайней мере одно зеркало, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью увеличения добротности: колебаний заданного участка спектра, на периферийной части по крайней мере одного иэ зеркал на расстоянии, равном радиусу пятна поля заданного

-го колебания, выполнена периодическая структура, параметры которой удовлетворяют соотношению

Ж=

Э

81И V g

5 где !

Ю вЂ” период структуры, - длина волны, Ф - угол падения парциальной волны р — номер автоколлимирующей гар10 моники, при этом поверхность зеркала совпадает с эквивалентной отражающей поверхностью периодической структуры.

Источники информации, !

5 принятые во внимание при экспертизе

1. Шестопалов В.П. Дифракционная электроника.,Харьков, "Вища школа", 1976, с. 94.

2. Вайнштейн Л.A. Открытые резо»

20 наторы и открытые волноволы, М., Сов. радио, 1966, с..473 (прототип).