Открытый резонатор

 

1. ОТКРЫТЫЙ РЕЗОНАТОР для ,электронного СВЧ-прибора, содержащий два зеркала, расположенных на одной .оси друг против друга, одно из которых вогнутое, и устройство связи с внешним волноводом, отличающийся тем, что, с целью обеспечения эффективного кратковременного ;- взаимодействия электронов с высокочастотным полем резонатора, второе . зеркало выполнено в виде рупора с подсоединенным к нему короткозамкнутым Изобретение относится к электронной технике, в частности к открытьм резонаторам для электронных СВЧ приборов . Известны открытые резонаторы, состоящие из двух зеркал. В миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин вЪлн они имеют размеры значительно больше длины волны , изготовление их сравнительно несложно , они легко перестраиваются, а главное имеют высокую добротность. отрезком волновода, в противоположных стенках которого выполнены отверстия для пропускания электронов, при этом центр радиуса кривизны первого вогнутого зеркала размещен внутри рупора на общей оси зеркал. 2.Резонатор по п. 1, отличающийся тем, что размеры рупора выбраны в соответствии со следующими соотношениями: Ц,,, где Dp - диаметр раскрыва рупора; 9 - угол раскрыва рупора, равный углу между осью рупора и касательной к образующей (ру пора) в точке пересечения (Л ее с линией раскрыва рупора; Лр - рабочая длина волны. 3.Резонатор по п. 1, отличающийся тем, что первое вогнутое зеркало имеет два различных главных радиуса кривизны. CD 00 ю 4 со Которая не падает, а увеличивается с укорочением длины волны. Именно благодаря этим качествам открытые резонаторы находят широкое применение в радиоэлектронике и в квантовой радиофизике. Открытые резонаторы используются и в электровакуумных приборах. Наиболее близким техническим решением является, открытый резонатор для оротрона, содержащий два зеркала, расположенных по одной оси друг про

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (51)S " 01 3 23/18

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСНОМЪ(СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ НОМИТЕТ

flO ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 3252676/21 (22) 26. 02.81 (46) 30.09.91. Бюл. Р 36 (72) В.П.Сазонов (53) 621.385.6(088.8) (56) Вайнштейн А.А., "Открытые резонаторы и открытые волноводы", "Сов. радио", М, 1966 г.

Авторское свидетельство СССР

У 195557, кл. Н 01 J 25/02, 1965 r. (54)(57) 1. ОТКРЫТЫЙ РЕЗОНАТОР для ,электронного СВЧ-прибора, содержащий два зеркала, расположенных на одной

".оси друг против друга, одно из которых вогнутое, и устройство связи с внешним волноводом, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью обеспечения эффективного кратковременного взаимодействия электронов с высокочастотным полем резонатора, второе зеркало выполнено в виде рупора с подсоединенным к нему короткозамкнутым

Изобретение относится к электронной технике, в частности к открытым резонаторам для электронных СВЧ при боров.

Известны открытые резонаторы, состоящие из двух зеркал.

В миллиметровом и субмиллиметро..вом диапазонах длин волн они имеют размеры значительно больше длины волны, изготовление их сравнительно несложно, они легко перестраиваются, а главное имеют высокую добротность, „„SU„„982479 А 1 отрезком волновода, в противоположных стенках которого выполнены отверстия для пропускания электронов, при этом центр радиуса кривизны первого вогнутого зеркала размещен внутри рупора на общей оси зеркал.

2.. Резонатор по п. 1, о т л и ч аю шийся тем, что размеры рупора выбраны в соответствии со следующими соотношениями:

$ =1,259 /e, где Dp — диаметр раскрыва рупора;

Ц вЂ” угол раскрыва рупора, равный углу между осью рупора и касательной к образующей (рупора) в точке пересечения ее с линией раскрыва рупора.

Qp — рабочая длина волны.

3. Резонатор по п. 1, о т л и ч аю шийся тем, что первое вогнутое зеркало имеет два различных главных радиуса кривизны. которая не падает, а увеличивается с укорочением длины волны.

Именно благодаря этим качествам открытые резонаторы находят широкое применение в радиоэлектронике и в квантовой радиофизике. Открытые резонаторы используются и в электровакуумных приборах.

Наиболее близким техническим решением является. открытый резонатор для оротрона, содержащий два зеркала, расположенных по одной оси друг нро982479 тив друга, оДно из которых вогнутое, и устройство связи с внешним волноводом. На другом зеркале выполнена дифракционная структура,вдоль которой движутся электроны и взаимодействуют с замедленной волной. Здесь используется принцип длительного взаимодействия электронов с электромагнитным полем. Этот принцип широко использу- 1р ется при построении ламп с бегущей волной нли ламп с обратной волной.

Наряду с принципом длительного взаимодействия в электронике широко используется также принцип кратковремен-15 ного взаимодействия электронов с электромагнитным полем. На этом принципе построены различные типы клистронов и ряд других приборов.

Открытые резонаторы, которые используются в гиротронах и оротронах, а также другие известные открытые резонаторы не дают возможности осуществить кратковременное (т.е. малое по сравнению с периодом колебаний) 25 взаимодействие электронов с электромагнитным полем резонатора, так как все размеры в этих резонаторах велики по сравнению с длиной волны, и при практически приемлемых величинах напряжений (меньше ста киловольт) электроны будут преодолевать такое расстояние за несколько периодов колебаний, что не эффективно для приборов с кратковременным взаимодействием.

Целью изобретения является создание такой конструкции открытого резонатора в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн, которая обеспечивала бы возможность кратковременного взаимодействия электронов с высокочастотным полем резонатора при обычно используемых напряжениях и при этом обеспечивала бы высокую добротность, простоту настройки и большие габариты резонатора по сравнению с длиной волны.

Указанная цель достигается тем, что в открытом резонаторе, содержащем два зеркала, расположенных на одной оси друг против друга, одно из которых выполнено в виде вогнутой поверхности, и устройство связи с внешним волноводом, другое зеркало выполнено в виде рупора с присоеди 55 ненным к нему короткоэамкнутым отрез» ком волновода, в противоположных стенках которого выполнены отверстия для пропускания. электронов, при этом центр радиуса кривизны первого вогнутого зеркала размещен внутри рупора на общей оси зеркал.

Оптимальный диаметр рупора Э определяется выражением

D =1, 253 /g, где Qp - длина волны;

g - угол раскрыва рупора, равный углу между осью рупора и касательной к образующей . (рупора) в точке пересечения ее с линией раскрыва рупора.

Первое вогнутое зеркало может иметь. два различных главных радиуса кривизны, В предложенной конструкции резонатора имеется область внутри волновода (например, перпендикулярно широкой стенке широкого волновода, работающего на основной волне), которую электроны при обычных напряжениях, используемых в электронных приборах, могут пролететь за время значительно меньшее периода высокочастотных колебаний. Это необходимо для эффективной работы электронного прибора клистронного типа, а также некоторых других приборов. Отверстие для связи резонатора с внешним волиоводом ,может располагаться в центре сферического зеркала.

На фиг. 1-13 даны варианты конструкций предложенного резонатора.

Резонатор содержит сферическое зеркало 1, рупор 2, отрезок 3 одномодового волновода, отверстия 4 в стенках волновода для прохода электронов, короткозамкнутую стенку 5, электронный поток 6, силовые линии

7 электрического поля резонатора, отверстие 8 связи в сферическом зеркале, внешний волновод 9.

Электромагнитные колебания основного вида в предлагаемом открытом резонаторе формируются следующим образом.

Электромагнитная волна возбуждения, например, электронным потоком, проходящим через отверстия 4 (которые запредельны для возбуждаемых колебаний), имеет возможность распространяться в сторону рупора. В рупоре 2 волноводная волна плавно преобразуется в сферическую расходящуюся волну, которая излучается из рупора и дви(3) 5 982479

6 жется в открытом пространстве в сто- Из теории открытых резонаторов рону зеркала 1. Отразившись от вог- следует, что резонансная длина волны нутого сферического зеркала, эта вол- предложенного резонатора Я приближенна превращается в сходящуюся волну но .определяется по формуле

5 которая движется в сторону рупора 2

У 2 входит в него и движется в сторону л -(d+R +p - ), (2) волновода. Дойдя по волноводу до заа

Ь коротки, отражается от нее и весь про- где и — целое число; цесс повторяется. В результате ин- 10 ф — длина волны в волноводе. терференции волн, движущихся в раз- Иеняя расстояние между зеркалом и руных направлениях, в системе устанав- пором d, можно произвести перестройливается стоячая волна. . ку резонансной длины волны резонатора.

Описанный процесс возникает лишь Из соотношения (1) следует, что перепри определенных соотношениях г@о- 15 стРойка Резонанса возможна только метрических размеров рупора и сфери- при таких перемещениях зеркала от- ческого зеркала. Используя теорию носительно рупора, при которых центр открытых резонаторов можно оценить кривизны зеркала не выходит за пре,эти размеры. делы рупора. 1 ак как в резонаторе устанавлива- 20 ДлЯ того, чтобы волна, отРаженнаЯ ется стоячая волна, то можно предполо- от сферического> зеркала, полностью жить, что в рупоре узел стоячей волны вошла в РУпоР и дифракционные потеРи электрического поля волны, исходящей были малы, диаметр рупора ар и зеркаиз горловины О< рупора (фиг. 3), на- ла В3 должны быть связаны соотношеходится на сферической поверхности

Sp в раскрыве рупора. Расположив на этой ..поверхности металлический экран, мы не изменим граничных условий и от которое вытекает из общей теории отсистемы рупор-сферическое зеркало крытых резонаторов. перейдем к эквивалентной системе вы- 30 Оптимальное значение диаметра рупуклое сферическое зеркало — вогну- пора 0 можно оценить из Услояия оптое сферическое зеркало. Радиусы кри- тимального распределения фазы поля визны этих зеркал — R) и R, рассто- по повеРхности РаскРыва РУпоРа. Это яние между зеркалами — d. условие приводит .к следующему эначеИз теории открытых резонаторов из- 35 нию 11р = 1 2 Л IО, где Π— Угол Раскрывестно, что в системе выпукло-вогну- ва РУпоРа, Равный УглУ межДУ осью РУтых сферических зеркал возможно воз- поРа и касательной к образуюЩей (Руникновение устойчивых колебаний с пора) в точке пересечения ее с линией каустиками (т.е, без излучения элек- Раскрыва РУпоРа., тромагнитной энергии за пределы прост- 40 Добротность (1 предложенного типа ранства между зеркалами) в том слу- Резонатора можно оценить по формуле чае, если выполняются соотношения у,.

В2

Q — — -чс — - (4)

1С вЂ” (1+— (1) P

d d

45 где о — суммарные относительные поте. Для предложенной системы вогнутое сфе- Ри энергии за один проход волны, корическое зеркало-рупор это правило торые складываются из дифракционных образований устоичивых колебаний мож- потерь и Джоулевых потерь в стенках но сформулировать так: колебания в волновода, рупора и сферического зерсцстеме вогнутое сферическое зеркалорупор будут устойчивыми, т.е. локали- Рассмотренный на фиг. 1, 2 открызованными между зеркалами, в том слу-. тый резонатор представляет собой акчае, если центр радиуса кривизны сфе- сиально-симметРичнУю систему, в корического зеркала (точка О,) располо- тоРой главные РаДиУсы кРивизны вэажен на оси внутри рупора в промежутке между горловиной, являющейся центром одинаковы. Принцип работы резонатоРа радиуса кривизны фронта волны в рупо сохранится и в том случае, если раре, (точка 0 ) и раскрывом рупора диусы кривизны главных дуг будут (точка 04) . различны.

982479

II,.> <М ° 4 показан открытый резонер, у которого радиусы кривизны главннх дуг зеркала LK u NN различны. Ру. — . пор в этом случае становится пирамидальным. Конфигурация рупора при этом должна выбираться так, чтобы соотношение (1) выполнялось для каждо го главного радиуса кривизны зеркала и для каждого соответствующего главного радиуса кривизны фронта волны в раскрыве рупора.

На фиг. 5 показан предельный случай, когда радиус кривизны горизон-тальной дуги CD равен бесконечности, а вертикальной дуги АВ - конечен. В

f ,этом случае зеркало становится цилиндрическим, а рупор секторным. Резонаторы, показанные на фиг. 3, позволяют увеличить размер простран- 20 ства взаимодействия электронов. с высокочастотным полем резонатора. длина рупора, т.е. расстояние

p p (фиг. 3), определяется необходимым диапазоном перестройки резона- 25 тора, требуемым согласованием перехода рупор-волновод, необходимой "чистотой" типа волны, распространяющейся в рупоре, величиной допустимых потерь в стенках рупора и рядом фак- 30 торов, которые необходимо учитывать в каждом конкретном случае. В соответствии со сказанным в общем случае закон изменения поперечного сечения рупора по длине оси может быть самым различным. Для примера приведем несколько законов. Наиболее простым и технологичным является линейный закон, т.е. простой конический рупор (фиг. Ь). В том случае, когда 40 необходимо иметь малую длину рупора при сохранении хорошего согласования, более целесообразно использовать экспоненциальный, бипоминальный или чебьпневский (фиг. 7) закон измерения поперечного сечения рупора.

Форма поперечного сечения волновода, подсоединяемого к рупору, также может быть различной: прямоугольной, круглой, овальной, П или Н-образной и др. в зависимости от требований, предъявляемых к пространству взаимодействия (фиг. 8, 9). В противополож( ных стенках волновода могут быть выполнены отверстия для прохода электронов. Для улучшения взаимодействия электронов с высокочастотным полем в отверстия могут быть введены отрезки труб (фиг. 10). Одна пара или несколько пар отверстий в противоположных стенках волновода (фиг.11) для пропуска электронов должны быть расположены так, чтобы обеспечить наиболее эффективное взаимодействие электронного потока с полем резона.тора. Диаметр отверстий.D должен быть таков, чтобы предотвратить через них заметную утечку электромагнитной энергии из резонатора. Для этого, в частности, необходимо,.чтобы D < 0,5 7

Например, в случае прямоугольного волновода отверстия располагаются в центре широкой стенки волйовода на расстоянии Sm от закоротки, приближенно равным (2m+1)Я /4 где m=0 1

2... а

В короткозамыкающей торцевой стенке волновода также, как в сферическом зеркале, можно расположить отверстие связи, через которое резонатор может быть связан с волноводом (фиг. 12). Если вместо закоротки в волноводе расположить подвижный короткозамыкающий поршень, то, изменяя длину отрезка волновода t, можно перестраивать резонансную длину волны резонатора (фиг. 13).

Предложенные резонаторы, которые можно назвать "ф кусирующие открытые резонаторы" (фор-ы), смогут найти широкое применение в приборах клистронного типа, используемых в радиолокации, радиосвязи, физике, биологии, медицине, в радиоспектроскопии при исследовании свойств различных веществ в электромагнитном поле миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн, 1

Лабораторные испытания макета фокусирующего открытого резонатора показали, что его нагруженная добротность в 3 мм диапазоне длин волн составляет

Q=3,5 °,10, т.е. почти в 10 раз больше, Э чем у обычных замкнутых резонаторов в этом диапазоне длин волн. Высокая добротность резонатора позволяет улучшить взаимодействие электронного потока с электромагнитным полем резонатора, поднять контурный КПД и КПД прибора, увеличить стабильность частоты клистронных генераторов миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн. Резонатор прост в изготовлении и не имеет побочных резонансных колебаний.

982479

Составитель

Техред Л.Сердюкова Корректор С.йекмар

Редактор К.Жринская

Заказ 3730 Тираж Подписное .

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС(;р

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул, Гагарина, 101