Введение к работе
Актуальность темы. Развитие современных СВЧ приборов
связано с проникновением во все более коротковолновые области
спектра. При этом в мощных приборах из-за требований
электропрочности не могут быть использованы
электродинамические системы с характерными размерами
порядка длины волны, традиционные для длинноволновой
электроники. Этим обусловлено широкое применение
сверхразмерных электродинамических систем. Конструкции таких
систем отличаются большим разнообразием, так, наряду с
традиционными закрытыми волноводами и резонаторами
широкое применение получили открытые квазиоптические
системы [1], позволяющие в ряде случаев при большой
сверхразмерности обеспечить приемлемый уровень селекции мод.
Сверхразмерные системы принципиально являются
многомодовыми, что усложняет задачу их анализа и требует разработки адекватных численных методов.
Сложность конфигурации электродинамических систем современных приборов СВЧ электроники ограничивает возможности прямого численного решения уравнений Максвелла. Этим обусловлено широкое применение декомпозиционных методов [2,3,4,5], основанных на разбиении рабочей области сложной конфигурации на простые подобласти, в которых решение уравнений Максвелла известно. Гибкость метода, обусловленная свободой выбора подобластей позволяет сочетать требуемую точность вычислений с экономией машинного времени и памяти. В пределе рабочая область может быть разбита на одномодовые минимальные автономные блоки (МАБ) [5]. Такая декомпозиция граничит с дискретизацией и не уступает по подробности численному решению уравнений Максвелла. Более экономичным с точки зрения машинного времени и памяти является разбиение на многомодовые подобласти простой конфигурации, в которых решение уравнений Максвелла известно. В случае ступенчатого волновода в качестве частичных областей логично взять однородные отрезки. Ступенчатые соединения однородных волноводов довольно часто встречаются в конструкции резонаторов, брэгговских рефлекторов, полосовых фильтров и.т.д., кроме того плавно-неоднородный волновод может быть также апроксимирован рядом волноводных ступенек.
рассматриваемых в качестве многомодовых частичных областей. Такое разбиение с последующей рекомпозициеи близко к численному решению системы уравнений связанных волн [6] без присущего этому методу требования "медленности" изменения профиля.
В "холодной" (без электронного пучка) электродинамике большинство задач анализа сводится к задаче рассеяния, в которой требуется найти отклик системы на падающую извне заданную волну. Если спектр падающих и рассеянных волн непрерывен, что характерно для открытых систем, для описания рассеяния используется интегральный оператор [1], если же этот спектр дискретен, как в закрытых волноводах и резонаторах, рассеяние падающей волны может быть описано матрицей, элементы которой являются коэффициентами связи между различными слагаемыми в разложении падающей и рассеянной волн. И интегральный оператор и матрица являются результатом решения уравнений Максвелла с граничными условиями, соответствующими геометрии системы. На основе решения задачи рассеяния можно, варьируя граничные условия, перейти к широкому классу задач на собственные значения. Так, в задаче о собственных колебаниях резонатора многократно рассеянная волна приравнивается к падающей, а в задачах анализа периодических структур на высокочастотное поле, являющееся суммой падающих и рассеянных волн, накладывается условие Флоке. Таким образом решается задача нахождения полей собственных колебаний и волн в многомодовых электродинамических системах.
Цель настоящей работы состояла в разработке численных методов и решении ряда задач, связанных с исследованием закрытых и открытых электродинамических систем миллиметрового и субмиллиметрового диапазона длин волн.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1.Предложен гиротронный резонатор с оптимизированным профилем, позволяющим снизить пиковую омическую нагрузку на стенки.
2.Показано, что некоторые собственные волны периодического волновода на частотах, близких к брэгговскому запиранию (так называемые колебания л-вида) имеют омические
потери сушественно ниже, чем моды гладкого волновода того же диаметра.
3.Предложена электродинамическая система для МСЭ, в которой для раздельного вывода пучка электронов и СВЧ излучения а также для управления частотой и добротностью рабочего колебания использован эффект умножения образов в сверхразмерном волноводе. Найдена структура поля рабочей моды.
4. Исследован открытый комбинированный резонатор для мазера на циклотронном авторезонансе (МЦАР). Показано, что селекция собственных мод по продольному индексу в двухзеркальном резонаторе может быть сушественно улучшена при наличии отрезка волновода между сферическими зеркалами.
Практическая значимость. Результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы, использовались при разработке нескольких электронных приборов и волновых компонент. На основе исследованных резонасных рефлекторов были созданы электродинамические системы, для МЦАР, работающие на модах TEqi и ТЕ$\. Сверхразмерная электродинамическая система на эффекте умножения образов была использована при создании перестраиваемого мазера на свободных электронах. Электродинамическая система, построенная на аналогичном принципе, была использована для создания широкополосного сильноточного мазера на свободных электронах, работающего на частоте 45 ГГц.
Использование результатов работы. Разработанные в результате диссертационной работы резонансные рефлекторы были использованы для экспериментов по созданию мазеров на циклотронном авторезонансе с частотой порядка 36 ГГц в ИПФ РАН. Сверхразмерные электродинамические системы на эффекте умножения образов были использованы при создании перестраиваемого мазера на свободных электронах.в FOM-институте (Рейнхаузен, Нидерланды), а также для создания широкополосного сильноточного мазера на свободных электронах, реализованного на установке "СИНУС-6" в ИПФ РАН.
Апробация результатов работы. Материалы, вошедшие в состав диссертации, докладывались на 18 международной
конференции по инфракрасным и миллиметровым волнам (Колъчестер, Великобритания, 1993), на 3 международной конференции по миллиметровым волнам (Гуаньгжоу, Китай, 1994), на VII семинаре по высокочастотной релятивистской электронике (Томск, 1991), на 3 рабочем семинаре по созданию мазера на свободных электронах для экспериментов в FOM-институте (Рейнхаузен, Нидерланды, 1994).
Структура и обьем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Объем диссертации составляет 99 страниц, включая 85 страниц основного текста, 59 рисунков, и список литературы из 76 наименований.
