Автоматизированные исследования открытых электродинамических систем миллиметрового диапазона Малышкин Александр Константинович

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА I. Обзор литературы 11

1.1. Выбор методаи объекта исследования 11

1.2. Периодические диэлектрические структуры 15

1.3. ОР с диэлектрическими включениями 18

1.4. Многорезонаторные системы 23

1.5. Автоматизация экспериментов 33

1.6. Актуальность применения диэлектрических, металлических и комбинированных квазиоптических структур в современных устройствах 38

ГЛАВА II. Автоматизированная эксперимен тальная установка 46

2.1. Описание экспериментальной установки 46

2.2. Усилитель-преобразователь 48

2.3. Автоматизация установки и методики измерений 50

2.4. Схема управления генератором 53

2.5. Обработка спектра и определение добротности 55

2.6. Ошибки измерений 56

2.6.1. Измерение распределения поля 56

2.6.2. Измерение спектра 57

2.6.3. Вычисление добротности 58

2.7. Время получения и обработки данных при автоматизации измерений 61

ГЛАВА III. Экспериментальные результаты 63

3.1. Волноводные характеристики материала 63

3.2. Электродинамическая система "диэлектрик-зеркало" 66

3.3. Открытый резонатор с диэлектрическим цилиндром 75

3.4. Аксиально-симметричные периодические диэлектрические структуры 83

3.5. Металлические цилиндрические системы с внутренней периодической структурой 100

3.6. Многозеркальные открытые резонансные системы с цилиндрическими и сферическими зеркалами 112

3.7. Перспективы использования автоматизированной установки и применение изученных электродинамических систем 128

Выводы 130

Заключение 131

Литература 133

• Периодические диэлектрические структуры
• Актуальность применения диэлектрических, металлических и комбинированных квазиоптических структур в современных устройствах
• Схема управления генератором
• Открытый резонатор с диэлектрическим цилиндром

Введение к работе

Развитие радиофизики и электроники характеризуется как широким распространением полупроводниковых и гибридных интегральных схем, так и улучшением энергетических характеристик мощных электронных приборов. В значительной степени эти достижения обусловлены разработкой и применением новых, более совершенных компонентов устройств в широком диапазоне длин волн. Совершенствование экспериментальных методик и повсеместное внедрение компьютерных методов получения данных и обработки результатов измерений позволяют адекватно представлять физические процессы, являющиеся основой функционирования современной аппаратуры.

Передающие линии и колебательные системы играют существенную роль во всех отраслях радиофизики и техники [1]. При переходе к сверхвысоким частотам существенным обстоятельством, влияющим на свойства передающих линий СВЧ, является соизмеримость этих устройств с длиной волны [2]. В этом случае основными характерными способами передачи СВЧ-энергии становятся волноводы.

Размеры колебательных цепей при сверхвысоких частотах также оказываются сравнимы с длиной волны. Это приводит к использованию в качестве колебательных систем СВЧ таких устройств как полые резонаторы. В результате с помощью волноводов и резонаторов создаются аналоги всех элементов цепей, характерных для более низких частот, -индуктивностей, емкостей, активных сопротивлений. При этом используются системы как закрытого, так и открытого типа.

Существенным преимуществом открытых электродинамических резонансных структур по сравнению с закрытыми резонансными системами является значительно более редкий спектр добротных колебаний. Редкий спектр, высокая добротность, размеры системы, превышающие длину волны, удобство ввода-вывода энергии - все это обеспечивает открытым системам широкое поле применений в антенно-волноводной и измерительной технике, квантовой, дифракционной и релятивистской электронике, в целом ряде других областей. Поэтому модификации резонансных систем, сочетающие элементы волноведущих структур и открытых резонаторов (ОР), разнообразные связанные диэлектрические и металлодиэлектрические системы, а также ОР с различными включениями оказываются в высокой степени востребованными и вместе с тем недостаточно исследованными.

Изучение спектра и других характеристик ОР с диэлектрическими телами представляет интерес при решении ряда практических вопросов современной радиофизики. Так, например, диэлектрики вводятся в ОР для исследования свойств и измерения параметров самих диэлектриков. В этом случае ОР используется в качестве прецизионного инструмента при изучении свойств материалов. Диэлектрические линзы и стержни находят свое применение в лазерных системах в качестве активных сред, фокусирующих и управляющих устройств.

Важными элементами электродинамических систем являются фильтры, создаваемые на базе металлодиэлектрических структур и резонаторов различной формы, основные свойства которых определяются зависимостью добротности и коэффициента передачи сигнала от частоты.

Несмотря на большое число публикаций по результатам исследований электродинамических систем и их использования в миллиметровом диапазоне, остается нерешенным целый круг задач, связанных с выявлением их характерных особенностей, необходимых при создании конкретных устройств. Решение таких задач осуществляется методами математического моделирования и физического эксперимента. Последнее (основной предмет настоящей диссертации) в силу сложности и трудоемкости эксперимента в миллиметровом диапазоне требует автоматизации процесса измерений и создания новых экспериментальных методик. Таким образом,

целью диссертационной работы являлась разработка способов автоматизированных измерений параметров электродинамических устройств миллиметрового диапазона и изучение физических характеристик открытых симметричных систем. В качестве примера применения разработанных методик была поставлена задача изучить ряд диэлектрических резонансных систем с гладкой поверхностью, периодических структур с шагом порядка длины волны и цепочек дифракционно связанных открытых резонаторов, применяемых в измерительных и электронно-волновых устройствах.

Следует заметить, что в отличие от предельных случаев, когда период много больше или много меньше длины волны, изучаемые в диссертации системы с периодом порядка длины волны являются наиболее сложными для математического описания, и их экспериментальное исследование дает более точное представление об их электродинамических свойствах.

В результате проведенной работы сформулированы следующие положения, выносимые на защиту:

1. Созданная автоматизированная установка, благодаря компьютерному управлению, набору созданных вычислительных программ и периферийных устройств, позволяет значительно упростить и, по крайней мере, на порядок ускорить процесс исследований электродинамических характеристик устройств миллиметрового диапазона.

2. Разработанные методики автоматизированных измерений дают возможность детально анализировать спектральные особенности различных типов электродинамических устройств. Комбинированная методика измерений открытых резонансных систем позволяет получать наглядные трехмерные изображения одновременно и коэффициента передачи, и расстояния между отражателями от частоты.

3. Аксиально-симметричные периодические структуры из диэлектрика со ступенчатым радиальным профилем и периодом порядка длины волны эффективно возбуждаются на резонансных частотах излучения на открытом конце диэлектрического волновода. Благодаря резонансу высших запредельных на суженных участках структуры волн, запертых на участках с большим диаметром, эффект определяется резонансным дифракционным преобразованием волн на границе между секциями меньшего и большего диаметров.

4. Эффективное возбуждение цепочки параллельно расположенных открытых металлических резонаторов со сферическими зеркалами происходит за счет дифракционной передачи энергии на краях зеркал высшими типами колебаний.

Использование разработанных методик позволяет не только усовершенствовать процедуру электродинамических измерений, но и выявлять новые физические особенности характеристик открытых систем. Созданная для исследования таких структур автоматизированная экспериментальная установка была с успехом применена в изучении ряда конкретных практически значимых электродинамических систем, предназначенных для использования в качестве фильтров и систем взаимодействия миллиметрового диапазона.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научной конференции "Ломоносовские чтения" (Москва, 1989); 8-м Всесоюзном симпозиуме по сильноточной электронике (Свердловск, 1990); Всесоюзном научном семинаре "Математическое моделирование и применение явлений дифракции" (Москва, 1990); Всесоюзной школе-семинаре "Физика и применение микроволн" (Москва, 1991); Всесоюзной конференции "Физические проблемы оптической связи и обработки информации" (Севастополь, 1991, 1992, 1993); AMSE Conference "Signals and systems" (Geneva, 1992); 5-й Всероссийской школе-семинаре "Физика и применение микроволн. Миллиметровые и субмиллиметровые волны" (Москва, 1995); 6-й Всероссийской школе-семинаре "Волновые явления в неоднородных средах" (Москва, 1996); 4-й Международной конференции "IL-LA-98" (Шатура, 1998); 9-й Международной конференции по лазерной оптике (С.Петербург, 1998); 3-м Международном симпозиуме "Physics and engineering of millimeter and submillimeter waves" (Харьков, 1998); 3-й Международной конференции "Antenna: Theory and Techniques" (Севастополь, 1999); Международной крымской микроволновой конференции "СВЧ-

техника и телекоммуникационные технологии" (Севастополь, 2000 -2005).

Во введении обосновывается актуальность выбранной темы, формулируется цель диссертационной работы, обсуждается новизна и практическая значимость полученных результатов, излагаются основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе дается аналитический обзор литературы, рассмотрены и обобщены данные о наиболее простых базовых электродинамических системах — открытом резонаторе (ОР) и диэлектрическом волноводе (ДВ), а также более сложных структур на их основе. Обсуждаются модели, описывающие ОР с диэлектрическими включениями, а также многорезонатор-ные системы различного вида и назначения. Специально анализируется состояние работ по автоматизации электродинамических измерений и формулируются требования к современной автоматизированной установке для изучения свойств открытых квазиоптических систем. В последнем параграфе показана актуальность использования диэлектрических, металлических и комбинированных структур в радиоэлектронных устройствах. Рассмотрены практические применения таких систем.

Вторая глава содержит описание автоматизированной экспериментальной установки и методик исследования электродинамических систем в миллиметровом диапазоне длин волн. Приведены схемы нестандартных узлов, используемых для автоматизации измерений. В параграфе, посвященном ошибкам измерений, основное внимание уделено погрешности при вычислении добротности для различных методик измерения. В последнем параграфе обсуждаются динамические характеристики автомати-

зированной установки, приводится таблица сведений о быстродействии процедур конкретных измерений.

Третья глава посвящена изложению полученных экспериментальных результатов, их обсуждению и предварительным выводам. Представлены графики, иллюстрирующие экспериментальные характеристики открытых систем различной геометрии.

В заключении приведены основные результаты и выводы. Отдельным списком идут цитируемая литература и работы, опубликованные по теме диссертации.

ГЛАВ AI ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

В последние годы в связи с неослабевающим интересом к освоению диапазона от миллиметровых волн до оптических особое внимание привлекает проблема создания новых и модернизации уже известных резонансных и волноведущих структур [3, 4, 5].

В радиофизической практике новых диапазонов широкое распространение получили устройства, обладающие осевой симметрией» (рис. 1.1) [6]. Их можно условно разделить на две большие группы. К первой относятся устройства, прообразом которых является открытый коаксиальный цилиндрический резонатор - коаксиальный волновод с неограниченным по длине центральным проводником и конечной внешней обкладкой. Простейшим представителем второй группы является открытый резонатор, состоящий из двух пластин - зеркал раз-, личной формы, расположенных на общей оси.

1.1 Выбор метода и объекта исследования

Свойства открытых резонаторов и открытых волноводов определяются, главным образом, дифракционными явлениями [7, 8]. Методы их исследования можно разделить на две основные группы: 1) математическое моделирование физических свойств исследуемого объекта, 2) непосредственное изучение электродинамических характеристик. Выбор метода в общем случае зависит от поставленной задачи и в нашем случае был сделан в пользу эксперимента, хотя некоторые попытки математического моделирования предпринимались и были вполне успешными.

б)

є)

д)

є)

ж)

3) и)

Рис. 1.1 Различные виды аксиально-симметричных электродинамических систем: 1) резонатор с плоскими зеркалами и а) - металлическим стержнем с магнитодиэлектрическим покрытием, б) — диэлектрическим стержнем, в) — диэлектрической многослойной трубой, г) - диэлектрической спиралью; 2) резонатор с фокусирующими зеркалами и д) - центральным стержнем сложной формы; е) — тороидальный открытый резонатор; ж) -система связанных открытых резонаторов; з) - периодические структуры связанных закрытых резонаторов; и) - связанные резонаторы со скачком пространства взаимодействия

-13-Экспериментальный подход был обусловлен необходимостью иметь универсальное устройство для быстрого и эффективного исследования различных видов электродинамических систем. Теоретический же ПОДХОД ИЗ-' за отсутствия адекватных и универсальных моделей значительно сужает рамки исследования. Используемый в экспериментах открытый резонатор является удобным инструментом, как система с известными и хорошо изученными характеристиками [1,9].

Так, частотный спектр двухзеркального ОР легко определяется по формуле [1]

m,n,q

(q + l) + (m + n +1)— arccosд/(і - Ь/Я_г )(l - L/R₂) ^ ^

где m,n — поперечные и q — продольный индексы колебания; с — скорость света; Rj, Д? — радиусы кривизны зеркал; L - расстояние между зеркалами.

Использование различных диэлектрических материалов в электродинамических системах расширяет область применения последних. Широ*; кое распространение в миллиметровой технике диэлектриков типа фторопласта (тефлона), полиэтилена или полистирола с є=2,1-2,6 определяется их малым тангенсом угла потерь. В виде специальных волоконных материалов и покрытий диэлектрические волноводы (ДВ) работают и в оптической области. Отрезки ДВ образуют диэлектрические резонаторы (ДР), которые условно разделяются на открытые и металлодиэлектрические [10]; В открытых диэлектрических резонаторах (ОДР) реализуется принцип объемного резонанса электромагнитных колебаний. При этом отражающей поверхностью является граница раздела диэлектрик-воздух, возле которой существует экспоненциально спадающее внешнее электромагнитное поле. Такая особенность определяет специфику анализа свойств и особенности практического применения ОДР в устройствах СВЧ [11], т.к. находящиеся

-14-рядом с ОДР элементы изменяют параметры резонаторов. Расположение вблизи диэлектрического резонатора металлических поверхностей необходимо либо для частичного усиления резонансных эффектов [12], либо для экранирования устройств в целом. Этим и обусловлено появление метал-, лодиэлектрических резонаторов (МДР), в состав которых входят как диэлектрические, так и металлические элементы. МДР отличаются большим разнообразием свойств и конструкций. Наиболее простыми являются закрытые диэлектрические резонаторы, у которых металл полностью покрывает диэлектрик. Специфическую группу МДР составляют волноводно-* диэлектрические резонаторы (ВДР) [13]. Их принципиальное отличие состоит в том, что наблюдаемые резонансные явления обусловлены совокупностью волновых процессов в волноводе и включенным в него диэлектрическом элементе. В качестве последнего обычно используется образец с невысокой (обычно с є<20) диэлектрической проницаемостью, который сам по себе может не проявлять резонансных свойств в том же диапазоне,-что и ВДР, его содержащий. Влияние этого образца сводится к малым возмущениям структуры электромагнитного поля, которая была в волноводе при отсутствии этого элемента.

Объектом исследования другого направления являются открытые дисковые ДР, возбуждаемые на колебаниях с высокими азимутальными индексами. Важное свойство таких колебаний — наличие каустики и области с экспоненциальным спаданием поля вне диэлектрика, что обуславливает в отсутствие омических потерь высокие значения радиационной добротности. В качестве примера можно привести результаты математического моделирования собственных колебаний цилиндрического МДР [14]. Исследование производилось на частоте fMO ГГц для диэлектриков: кварца (є=3.8), оптической керамики (s=5.26) и поликора (є=9.6). Был сформулирован

-15-принцип экранирования ДР и показано, что при определенных размерах экрана появлялся эффект запирания электромагнитной энергии внутри диэлектрика и, как следствие, явление высокодобротного резонанса в открытом ДР.

Таким образом, свободные допуски на размеры, простота изготовления диэлектрических образцов и малые потери диэлектриков в миллиметровом диапазоне определяют их выбор в качестве исследуемых структур, пригодных для применения во многих практических устройствах

1.2 Периодические диэлектрические структуры

Колебательные системы из двух или более связанных диэлектрических резонаторов применяются в устройствах СВЧ в качестве частотно-избирательных, разделительных и согласующих цепей. Разработка таких структур встречает серьезные трудности, так как исследованы они недостаточно полно. Одна из таких систем [15], состоящая из N цилиндрически^ ДР, расположенных соосно в круглом экране, может быть использована в ряде СВЧ-устройств. Структура представляет собой нерегулярный волновод постоянного сечения и условно разделена на области, отображающие ДР со специальными кольцевыми держателями, области связи между ДР и торцевые области без ДР. Решая уравнение Гельмольца в каждой области, можно получить выражения для составляющих электромагнитного поля и уравнения для собственных частот в системе. Для похожей модели проведен аналитический и численный анализ связанных волноводно-диэлектрических и диэлектрических резонаторов. Исследуемая система [16] представляет собой N одинаковых диэлектрических пластин с продольным размером /_ь расположенных на расстоянии h Друг от друга перпендикулярно к оси регулярного запредельного волновода произвольного

поперечного сечения с "электрическими" боковыми стенками для ВДР и "магнитными" боковыми стенками для ДР. Такая модель позволяет произвести строгий расчет связанных ВДР и приближенный расчет для ДР. При волноводно-диэлектрическом резонансе (резонанс волноводных типов волн в объеме диэлектрика) электромагнитное поле сосредоточено в основном внутри диэлектрика, а вне его экспоненциально спадает. Поэтому для возникновения этого вида резонанса необходимо, чтобы используемый волноводный тип волн был распространяющимся на участке волновода с диэлектриком и запредельным в пустом волноводе. Для ДР указанные условия также справедливы и являются основным допущением для расчета резонансных частот. В результате с использованием метода частичных областей получены формулы для определения резонансных частот системы из N резонаторов. В качестве примера приведены результаты численного расчета для двух, трех и четырех связанных резонаторов.

В работе [17] найдены расчетные соотношения для определения собственных частот и коэффициентов связи волноводно-диэлектрических резонаторов, разделенных металлической диафрагмой. Получены экспериментальные данные для резонаторов, выполненных на запредельных волноводах квадратного или прямоугольного сечения. Экспериментальная проверка полученного выражения для коэффициента связи двух ВДР осуч ществлялась в диапазоне частот 3-М ГГц. В качестве диэлектрика использовался плавленый кварц с є=3,8. Приведены теоретические зависимости коэффициента связи от размеров отверстия связи и экспериментальные значения. Отмечено удовлетворительное совпадение теории и эксперимента. Показано, что такие ВДР, разделенные металлическими диафрагмами, могут являться конструктивными звеньями двухмодовых волноводнс? диэлектрических фильтров.

-17-В попытке создать узкополосный фильтр исследована периодическая диэлектрическая структура, период которой составляют два слоя толщиной а и Ъ с показателями преломления п₂ и nj соответственно [18]. Слой толщиной а может быть изотропным диэлектриком, кубическим или одноосным кристаллом, ориентированным так, чтобы проходящая волна была необыкновенной. Предположим, что И; =1 (воздух), а число периодов обозначим N. Такая система обладает характеристиками фильтра. Для его уз-кополосности должно быть п₂»1. Известны материалы, имеющие п₂&№² и. малое поглощение в области ультракоротких волн. Такие материалы обладают значительным электрооптическим эффектом, что позволяет менять п₂, т.е. перестраивать фильтр. Ширина полосы пропускания ДА, определяется формулой

ЛЯ _ 2Я_С

где А,_с - длина волны в центре полосы пропускания. Для того, чтобы полосу пропускания ограничивали с обеих сторон полосы отражения, слоистая система должна быть многослойной с числом периодов N не менее Ю-т-15. Для расчета такой системы необходимо выбрать подходящий диэлектрик, прозрачный в рассматриваемой области частот, задать центральную длину волны и рассчитать толщины слоев периодической структуры [19].

Рассматривая отдельные элементы и узлы СВЧ-устройств, необходимо отметить задачу о связанных резонаторах с магнитодиэлектрической средой. В частности, можно рассмотреть исследование дифракционных характеристик N-связанных ортогональных разветвлений прямоугольных волноводов с магнитодиэлектрическим резонатором (МГДР) [20]. Данную

-18-структуру можно рассматривать как N связанных элементарных блоков^ Блоками являются закороченные по высоте Т-образные разветвления прямоугольных волноводов с МГДР. Неоднородности соединены между собой отрезками волноводов одинаковой длины. Для такой системы получены аналитические выражения для инженерных расчетов резонансных частот. Приведена классификация волноводно-диэлектрических резонансов базовых элементов. Показана возможность применения данной структуры в качестве узкополосных и широкополосных СВЧ-фильтров.

1.3 ОР с диэлектрическими включениями

Исследование спектра и других характеристик ОР с диэлектрическими телами представляет интерес при решении ряда практических вопросов современной радиофизики. Так, например, диэлектрики вводятся в ОР для исследования свойств и измерения параметров самих диэлектриков [21]. Традиционными микроволновыми методами обычно измерялись диэлектрические характеристики плоских объектов [22]. При этом использовались вогнутые конфокальные резонаторы, имеющие высокую добротность и малые потери на излучение. Проводились измерения образцов, расположенных в центре резонатора таким образом, чтобы согласовать близкий к плоскому волновой фронт колебаний в резонаторе с поверхностью образца. При этом использовалась теория возмущений, чтобы компенсировать отклонения геометрии поверхности образца от идеальной. Было показано [23], что ОР может быть использован как точный инструмент измерения диэлектрической постоянной (є) и тангенса угла потерь (tg5) плоского ди; электрика. В частности, были получены значения є для полистирола и дру-

-19-
гих слабопоглощающих материалов с максимальной ошибкой 0,25%;
ошибка в измерении tg5 составляла около 25%. Данный метод может быть
развит для улучшения точности, особенно по отношению к измерению
тангенса угла потерь. Достаточно простым является метод определения
параметров различных плоских образцов, основанный на измерении резо
нансной длины и добротности цилиндрического резонатора. Обычно доб
ротность определяется по частотной ширине резонансной кривой на уров
не половинной мощности. С другой стороны, резонансную кривую можно
измерить, не изменяя частоту СВЧ-источника, а изменяя длину резонатора
[24]. Таким образом, при замещении одной из торцевых металлических
стенок цилиндрического резонатора диэлектрической или полупроводни
ковой пластиной изменяется длина резонатора и его добротность, что по
зволяет рассчитать параметры плоского образца. _г
Для практических применений представляет интерес измерение ди
электриков, имеющих кривые поверхности, например элементов линз. Для
этого необходимо разместить вогнуто-выпуклые образцы в нецентральных
областях резонатора, где волновой фронт не является плоским и, следова
тельно, близок по форме с образцами. В этом случае уравнения поля на
границах раздела воздух-диэлектрик значительно упрощаются. Произведя
расчет, можно вычислить относительную диэлектрическую проницае
мость. Тангенс угла потерь можно получить, вычислив разность энергии
потерь между нагруженным и ненагруженным резонатором. Эксперимен
тальные исследования на частоте 11.6 ГГц для выпукло-вогнутых образцов
из полиметилметакрилата были проведены, например, в работе [25]. Полу
чено хорошее согласование с результатами для структур плоской формы
этого же материала. Когда поверхности образцов хорошо совпадали с вол-

-20-новыми фронтами, экспериментальные ошибки возникали в основном"из-за неточности измерения геометрии диэлектрика, его положения, резонансной частоты и добротности. Полученная экспериментально ошибка измерений составляет в этом случае 1,5% для относительной диэлектрической проницаемости и 35% для тангенса угла потерь.

Для измерения диэлектрических постоянных веществ с большими потерями может быть рассмотрена другая схема, где используется трех-зеркальный резонатор, состоящий из двух металлических зеркал и расположенной между ними диэлектрической призмы, резонансные колебания в котором поддерживаются за счет явления полного внутреннего отражения от наружной грани призмы. Для ОР со сферическими зеркалами и призмы из фторопласта (є=2,04) и кварца (є=3,75) были проведены исследования на частоте 50 ГГц [26]. При этом были получены спектр колебаний ОР и амплитудное распределение поля в системе. При уменьшении угла падения наблюдалась трансформация амплитудного распределения низшего типа колебаний, т.е. в данной ситуации призма работает как фильтр углового спектра плоских волн.

При теоретическом рассмотрении открытых систем с диэлектриком обычно применяются приближенные методы расчета, хотя даже в этом случае формулы оказываются достаточно сложными [27] . Наиболее простым является расчет модели ОР с прямоугольной диэлектрической призмой [28]. Однако в этом случае использовался эвристический подход, который применим далеко не всегда и является принципиально приближенным.

Усложнение теоретических методов дает возможность добиться более точных результатов. В качестве примера может послужить построение спектральной теории двумерных открытых структур, образованных конеч-

- 21 - ;,

ным числом идеально проводящих дуг окружностей и диэлектрических включений соответствующей формы [29]. При этом на размеры включений не накладывается никаких ограничений. В безграничной однородной изотропной среде с электродинамическими параметрами Єо=Цо⁼1 рассматривается открытая структура, состоящая из N незамкнутых круговых цилиндрических поверхностей (зеркал) и М круговых цилиндрических поверх-? ностей (включений), заполненных изотропными однородными средами с комплексными проницаемостями, отличными от So и ji₀. Предполагается следующее: 1) образующие элементов структуры параллельны, и вдоль них она бесконечна и однородна; 2) незамкнутые цилиндрические поверхности бесконечно тонкие и идеально проводящие. В конфигурации: Oxyz -декартова система координат с осью Oz, параллельной образующим элементов структуры, и S - сечения структуры плоскостью Оху. Для такой конфигурации описан подход, позволяющий построить и обосновать алгоритм для расчета спектра двумерных собственных электромагнитных колебаний Н- и -типа открытой структуры S.

Для аналогичной модели в работе [30] дан пример решения интегрального уравнения резонатора с диэлектрическим телом методом Галер-кина. Полученные выражения для собственного числа (к) использованы в анализе дифракционных потерь резонатора за счет рассеяния плазменным цилиндром применительно к задаче о диагностике плазмы открытым резонатором.

При определенных ограничениях можно построить модель системы, имеющей конечные размеры. Так, без учета дифракционных потерь на краях зеркал рассмотрен резонатор, состоящий из двух конечных цилиндрических зеркал эллиптического профиля с симметрично расположенным

внутри эллиптическим цилиндром из диэлектрика [31]. Получено уравнение для вычисления собственных частот такого резонатора. Показана возможность дополнительного разрежения частотного спектра в ОР подобного типа.

Известно, что одним из основных методов измерения относительно- ' го амплитудного распределения электромагнитных полей собственных колебаний ОР является метод реактивного зондирования (метод пробного или возмущающего тела). Сущность его состоит в том, что в ОР вносят зонд (пробное тело) из диэлектрического материала сильно поглощающего электромагнитную энергию, и регистрируют изменение добротности ОР при перемещении зонда по объему ОР. По изменению добротности можно получить информацию об относительном амплитудном распределении собственного поля ОР. При этом, с одной стороны, размер зонда должен быть достаточно мал, чтобы разрешить сложную пространственную структуру электрического поля, а с другой стороны, достаточно велик для достижения высокой чувствительности измерений. Расчеты показывают, что существует оптимальный размер такого диэлектрического зонда [32]. По-казано, что при исследовании низших типов колебаний (в качестве примера - Ноз), оптимальные размеры пробного тела определяются соотношением 6JX и 0,15 (где d - диаметр зонда, А, - длина волны возбуждающегося колебания). В зависимости от размеров и свойств возмущающего тела в системе происходит изменение собственной частоты и добротности в результате изменения запасаемой энергии. В этом случае измерение относительного изменения частоты позволяет также определить такие характеристики системы, как дисперсия и сопротивление связи [33].

-23-1.4 Многорезонаторные системы

При анализе систем, состоящих из большого числа одиночных или связанных в цепочку резонаторов, обычно рассматривают резонаторы с квазистационарными зазорами [34]. В этом случае в зазорах резонаторов пренебрегают эффектами, связанными с конечной скоростью распространения электромагнитного поля. Они образуются емкостными промежутками и служат, например, зазорами взаимодействия в электронных СВЧ-приборах (клистрон, магнетрон и т. п.). Квазистационарные зазоры образованы двумя близкими металлическими поверхностями (сетками, плоскостями), расстояния между которыми гораздо меньше длины волны. Они служат областями сосредоточения электрического поля. Для таких резонаторов приемлемо эквивалентное описание с введением эквивалентных цепей, содержащих емкости и индуктивности. Для приближенных оценок величина емкости зазора С может быть найдена по формуле для эквивалентного плоского конденсатора или с помощью энергетического соотношения

где S, I- площадь и ширина зазора резонатора соответственно; We -энергия электрического поля; V - эквивалентная разность потенциалов в зазоре.

Квазистационарное описание справедливо только для низших типов колебаний, хотя в резонаторе могут быть возбуждены и высшие моды. Для выделения моды низшего типа поверхности придается сложная форма, что приводит к сосредоточению электрического поля почти полностью в емкостном зазоре, остальная более широкая часть резонатора играет роль индуктивности L. Индуктивная часть резонатора не обязательно является

-24-квазистационарной. Ее размеры могут быть порядка длины волы. Однако в месте подключения к емкостному зазору результирующее сопротивление оказывается индуктивным.

Если известны L и емкость зазора С, то частота резонансных колебаний со₀ выражается формулой coo"=\ILC. Собственные колебания моды номера п в объемном резонаторе характеризуются известной структурой электромагнитного поля Е_т Н_п, резонансной частотой а>„ и выражением для добротности

Qn=<»n-jt (1.4)

«

где W_n — запасенная энергия моды; Р_п — мощность потерь в системе. Одним из принципиальных вопросов в описании многорезонаторной системы является возможность вычисления связи между отдельными резонаторами. Подход к расчету связи электродинамических систем с использованием понятий эквивалентных электрического и магнитного дипольных моментов [35] оказался плодотворным, и на его основе было проведено исследование различных электродинамических характеристик взаимодействующих объектов. Ключевым моментом в данном подходе является использование квазистатического приближения при вычислении полей в области отверстия связи, что автоматически накладывает условие малости размеров отверстия по сравнению с длиной волны. Кроме того, отверстия должны быть расположены вдали от границ рассматриваемых электродинамических систем. Несмотря на эти ограничения, разработанные методы позволили не только провести расчет ряда существенных характеристик, но и сформулировать качественно новые подходы к изучению различных СВЧ устройств. Так, рассмотрена ключевая задача о взаимодействии двух

-25-резонаторов через отверстие в разделяющем экране конечной толщины без предположения о малости каких-либо параметров [36]. На основе строгого электродинамического подхода рассчитано значение коэффициентов связи двух закрытых цилиндрических резонаторов в пределе малых отверстий и бесконечно тонкой стенки.

При анализе колебаний в связанной системе необходимо также учитывать возникновение переходных процессов между резонаторами. Причиной переходных процессов в виде затухающих колебаний является периодическая перекачка энергии между резонаторами, возникающая при сдвиге фаз СВЧ колебаний в них, близком к тг/2. Выбирая соответствующую фазу, можно получить аналитическое решение для переходных процессов в паре высокодобротных связанных резонаторов, работающих на собственной резонансной частоте, равной частоте задающего генератора [37]. Частные случаи этого решения подтверждены соответствующими экспериментами. Измерения проводились на частоте 2,86 ГГц для резонаторов с добротностью 10⁴ в импульсном режиме, когда на вход одного из, резонаторов подавались импульсы длительностью 5 мкс и периодом следования 10 мкс. Коэффициент связи измерялся по отношению амплитуд в резонаторах.

Общие закономерности распространения волн в периодических структурах определяются теоремой Флоке [38, 39] для комплексных амплитуд: для данного типа волны электромагнитные поля в поперечных се_? чениях периодической структуры, отстоящих друг от друга на период, отличаются фазовым множителем:

Ё(х_{ ,x₂,z + L) = Ё(х_х, х₂, z)e~^l(p

Н{х_{ ,x₂,z + L) = Н(х_х, х₂, z)e~^i(p (1.5)

-26-где xi, х₂ - координаты точки поперечного сечения; L - период структуры, равный минимальному расстоянию, при перемещении на которое она совмещается сама с собой; (р - сдвиг фазы в сечениях, отстоящих друг от друга на один период. В общем случае ф=ср- icp - комплексная величина, причем действительная ее часть, как следует из (1.5), определяет сдвиг фазы поля в периодической структуре, а мнимая - изменение его амплитуды. При положительных значениях угла (р поле в сечении z+Z, отстает по фазе от поля в сечении z, что определяет положительное значение фазовой скорости волны. Отрицательным значениям угла (р соответствует отрицательное значение Уф. Как следствие, электромагнитное поле волны в периодической структуре можно представить в виде суперпозиции плоских электромагнитных волн - пространственных гармоник с разными фазовыми скоростями:

_ ^w

^V4>m--jT (1.6)

' ^т

где т — номер гармоники, /3_m=f3₀+27mi/L - ее волновое число; f3o=(p/L.

Если фазовая скорость гармоники на данной частоте меньше скорости света в среде, заполняющей структуру — это замедленная поверхностная гармоника (ПГ). Как следует из (1.6), замедление увеличивается с ростом абсолютного номера т гармоники. Принцип синхронизма электронного потока и ПГ является основой работы СВЧ приборов (ЛОВ, ЛБВ), а вьь бор замедляющей системы - одной из основных задач.

Известны программы для ЭВМ, позволяющие рассчитывать любые замедляющие системы [40]. Однако, в разработке систем типа ЛБВ относительная сложность этих программ существенно ограничивает их использование. Если выбор формы резонаторов подчинить необходимости расче-

-27-та характеристик замедляющей системы (ЗС) на ЭВМ, то математическую модель ЗС можно существенно упростить. Наиболее удобна для машинных расчетов цепочка прямоугольных резонаторов, связанных прямоугольными окнами связи таким образом, что ЗС как бы образует волнообразно изогнутый прямоугольный волновод постоянной ширины с периодически изменяющейся высотой и периодически нагруженный емкостью выступов [41]. Если круг задач, решаемых на ЭВМ, ограничить расчетом фазового замедления первой ПГ и сопротивления связи на оси канала на ней, то задача сведется к определению ВЧ напряжений в зазорах при распространении энергии вдоль ЗС. По характеристическому сопротивлению цепочки находится сопротивление связи на оси ЗС с учетом длины зазора и приведенного радиуса канала. Такая модель и соответствующая программа предназначены для расчета вариантов ЗС методом эквивалентных схем в процессе разработки ЛБВ средней и большой мощности с целью выбора основных геометрических параметров. Успех расчета определяется выбо^ ром эквивалентной схемы и точностью определения величин ее элементов. Эквивалентные схемы позволяют описать процессы, происходящие в цепочке связанных резонаторов, представляя ее в виде электрической цепочки с сосредоточенными элементами [42]. При этом можно рассчитать дисперсию и сопротивление связи как в полосе пропускания, так и вне ее. Определенные трудности возникают при рассмотрении возбуждения 3G электронным пучком [43]. Использование сосредоточенных элементов затрудняет определение места подключения возбуждающего тока к эквивалентной схеме, т.е. выбор точек схемы, относительно которых проводится расчет сопротивления связи.

В качестве альтернативы можно предложить волноводно-резонаторную модель цепочки связанных резонаторов, использующую элементы с распределенными параметрами - отрезки прямоугольных вол-: новодов с различным поперечным сечением [44]. В этой модели использовано одномодовое приближение и применен аппарат теории четырехполюсников [45]. Для определения параметров четырехполюсников применена теория длинных линий с учетом дисперсии и волновых сопротивлений волноводов. В результате приведены дисперсионные уравнения как без учета, так и с учетом потерь и рассчитано сопротивление связи. Проведен анализ модели и определена область ее применения.

Представление электромагнитных полей внутри резонаторов в виде суммы встречных волн с зависящими от времени амплитудами позволило исследовать колебания в двух связанных объемных резонаторах при произвольных значениях их собственных частот и частоты внешнего генератора [46]. Резонаторы в этом случае моделируются отрезками волновода, заключенного между реактивными диафрагмами. При использовании метода падающих и отраженных волн получены приближенные уравнения для зависящих от времени комплексных амплитуд колебаний. Приведены в общем виде решения уравнений и рассмотрены вытекающие из них свойства связанных резонаторов в установившемся режиме и при затухании свободных колебаний. Определены частоты, соответствующие максимумам амплитуд в первом и втором резонаторе.

В работе [47] обоснована применимость метода резонансов к ЗС типа цепочки связанных резонаторов в виде закрытого цилиндра с внутренними объемными резонаторами и щелями связи. В ней рассмотрены экспериментальные результаты, полученные на макете ЗС в сантиметровом диапа-

-29-зоне длин волн. Метод резонансов основан на выделении из замедляющей структуры отрезка, закорачиваемого на концах. Если между местами короткого замыкания имеется N ячеек, то резонанс наступит при условии N(p=k7t (k=0,l,2...). Если измерить.все резонансные частоты, то при известном числе ячеек можно определить все фазовые углы и построить фазовую характеристику. Резонансные частоты находятся методом прохождения или поглощения. При измерениях методом прохождения меняют частоту генератора до тех пор, пока на выходе отрезка ЗС не будет достиг-нут максимум проходящего сигнала (минимум затухания), которому и будет соответствовать данная фиксированная частота. Если используется генератор качающейся частоты, то при развертке сигнала, прошедшего через ЗС, наблюдается интерференционная картина с явно выраженными максимумами. Это и есть резонансы, на частоте которых сдвиг фазы на периоде ЗС равен %. Данный метод пригоден для снятия в сантиметровом диапазо-не дисперсионных характеристик ЗС типа цепочек резонаторов и других типов ЗС, применяемых в ЛОВ и магнетронных усилителях. В качестве примера в работе [47] приведен характерный вид интерференционной картины на выходе ЗС, представлена дисперсионная характеристика исследованной системы.

В [48] изложены особенности расчета электродинамических характеристик цепочек резонаторов, связанных щелями, по методу частичных областей, согласно которому поля в подобластях разлагаются в ряды по соответствующим собственным функциям поперечных операторов. Приведены численные результаты для закрытых цилиндрических систем с азимутальными и радиальными щелями. В частности, для азимутальных щелей длиной 8,824 см собственные частоты резонатора и щели составляв

-ЗО-
ли величины 2,4 и 1,7 ГГц соответственно. Рассчитаны дисперсионные ха
рактеристики таких систем. -і.
Электродинамические системы, основанные на связанных периоди
ческих элементах, находят применение в приборах типа ГДИ. Дифракци
онное излучение (ДИ) относится к классу радиационных эффектов, кото
рые возникают при рассеянии (дифракции) собственного электромагнит
ного поля заряженной частицы, движущейся с постоянной скоростью
вблизи препятствия [49] в виде периодической структуры. Возбуждение
ДИ для заданной частоты излучения наблюдается только при определен
ном соотношении между геометрическими размерами рассеивающего пре
пятствия и скоростью заряда. Высокоэффективными для возбуждения ДИ
являются препятствия, выполненные в виде дифракционных решеток. В
качестве примера можно привести результаты экспериментальных измере
ний характеристик в миллиметровом диапазоне чистого ДИ, возбуждаемо
го движущимся вблизи дифракционной решетки модулированным элек
тронным потоком [50]. В качестве модулятора электронного потока ис
пользовался малогабаритный ГДИ с короткофокусным ОР, образованным
сферическим и цилиндрическим зеркалами. Однородная дифракционная
решетка с периодом 0,4 мм и длиной 40 мм располагалась вдоль обра
зующей цилиндрического зеркала таким образом, что часть ее использо
валась для модуляции электронного потока, а вторая часть - для возбуж
дения ДИ. Длина волны дифракционного излучения изменялась путем
механической и электронной перестройки ГДИ в диапазоне 3,8 -ь 7 мм.
Рассмотрены экспериментальные и теоретические диаграммы направ
ленности ДИ. Состояние поляризации электромагнитного поля ДИ пред-
ставлено на экспериментальных поляризационных диаграммах. Получено

-31 -удовлетворительное согласование теории и эксперимента. Однако в системе периодическая структура с периодом много меньше длины волны может одновременно выполнять и роль зеркала двухзеркального ОР [51]. В этом случае наиболее интенсивное ДИ существует при углах а близких к 90 (а - угол между направлением движения электронов и направлением излучения), при которых обеспечивается существование в резонаторе высокодобротных типов колебаний. Для того, чтобы более полно использо-вать энергию ДИ электронных потоков, весьма перспективными представляются дифракционные решетки в виде ряда металлических дисков с круговыми центральными отверстиями. Такая решетка с внешним бочкообразным зеркалом может использоваться в качестве колебательной системы приборов дифракционной электроники. Под воздействием собственного поля резонатора вблизи граничных поверхностей дифракционной решетки возбуждаются пространственные гармоники как вне, так и внутри периодической структуры; именно в этих областях может пропускаться электронный пучок для осуществления электронно-волновых взаимодействий. Исследована дифракция цилиндрических волн на такой кольцевой периодической структуре [52]. Получено выражение для коэффициента взаимодействия волны с периодической структурой, исследована его зависимость, от различных параметров и найдено условие безотражательного резонансного поглощения волны структурой.

В случае периодической структуры, характерные размеры которой больше или равны рабочей длине волны, нельзя не отметить исследования взаимодействия электронного пучка с полем такой системы [53]. В эксперименте тонкий трубчатый электронный пучок, -фокусируемый сильным продольным магнитным полем, распространялся через круглый волновод с

ПерИОДИЧеСКОЙ Структурой На Внутренней ПОВерХНОСТИ. Исследуемые СИС;.

темы имели следующие параметры: внутренний диаметр — 90 мм, диаметр диафрагм - 86 мм, период структуры - 7 мм, толщина диафрагм 1-=-5 мм. В результате эксперимента получена генерация с длиной волны 7,5 мм; 11 мм; 16 мм; 22 мм при мощности излучения 400 мВт, 200 мВт, 32 мВт и 11 мВт соответственно. Кроме того, были исследованы зависимость мощности от напряженности фокусирующего магнитного поля и диаграмма направлен-*-ности излучения. Результаты исследований позволяют сделать вывод о возможности применения крупноразмерных периодических структур для генерации СВЧ-излучения.

Исследования дифракционно-связанных ОР, применяемых в оптических квантовых генераторах, были проведены еще в 1960-х годах. При переходе в миллиметровый диапазон характеристики таких систем будут от4 личаться от оптических аналогов ввиду наличия интенсивного "ореола" резонансного электромагнитного поля вокруг зеркал. Причем интенсивность "ореола" возрастает по мере уменьшения апертуры зеркал 2а и их радиусов кривизны R. Это обстоятельство позволяет рассмотреть короткофокусные OP (R «3-Г-5А,) в качестве перспективных для дифракционно-связанных систем. При этом для обеспечения эффективности работы дифракционно-связанных резонаторов необходимо удовлетворить двум основным условиям: во-первых, иметь добротность собственных колебаний 10³-ь10⁴; во-вторых - интенсивность внешнего резонансного поля должна быть достаточной для получения приемлемого коэффициента связи между ОР. В соответствии с этим экспериментально изучены [54] два дифракци-онно-связанных полусимметричных резонатора со следующими параметрами: Rr= 15 мм, 2а=20 мм, f=l30 ГГц. При этом получены спектры колебаний

-33-ОР, а также коэффициент передачи пассивного резонатора при изменении расстояния между зеркалами. Рассмотрены возможные способы возбуждения связанных резонаторов различной геометрии в двухмиллиметровом диапазоне [55]. Представлены спектры систем при раздвижении зеркал и фиксированной частоте возбуждения. Полученные результаты позволяют говорить о возможности использования внешних резонансных полей в таких системах при решении различных задач, например, для дифракционной синхронизации стабилизирующих резонаторов в генераторах-сумматорах.

1.5 Автоматизация экспериментов

Экспериментальные исследования и уровень развития техники, как правило, требуют обработки большого массива экспериментальных результатов. Однако на проведение измерений и систематизацию полученных результатов расходуется значительное количество времени, что приводит к необходимости ускорения таких исследований.

Простейшие средства автоматизации измерений применялись еще до широкого распространения персональных компьютеров. В качестве примера можно привести установку для получения видимого изображения распределения поля в открытом резонаторе миллиметрового и субмиллиметрового диапазона [56]. Принцип исследования основан на явлении дифракции на теле малых размеров (пробном теле), движущемся в произвольной плоскости ОР. Перемещая пробное тело в объеме ОР при помощи электродвигателя и регистрируя изменение добротности резонатора, можно судить о распределении электромагнитного поля в этом объеме. Луч

-34-электронно-лучевой трубки, связанный датчиками сопротивления с перемещением пробного тела, повторяет его движение на экране. При этом изменение добротности приводит к изменению яркости свечения пятна на экране. Данные измерения не требуют особой точности и дают возможность распознать тип колебаний, возбуждающийся в ОР. Однако наблюдение распределения поля на экране электронно-лучевой трубки не очень удобно, т.к. требует дальнейшей обработки и фиксации изображения, а датчики сопротивления не всегда корректно отображают движение пробного тела.

Более точное знание распределения полей в электродинамической системе необходимо для расчета таких характеристик системы, как сопротивление связи и шунтовое сопротивление. Автоматизация определения относительных амплитуд пространственных гармоник позволила повысить точность измерения распределения Е-полей, а также сократить сам процесс измерения [57]. При этом была использована мини-ЭВМ «Электроника- 100И» в комплекте с часами реального времени, одним каналом ввода аналоговой информации и возможностью вывода графика на печатающем устройстве.

По мере развития средств автоматизации появилась необходимость в систематизации и обобщении общих принципов построения автоматизированных установок. Различные методы и технические средства автоматизации физического эксперимента изложены, например, в работе [58] , где рассмотрены возможности применения ЭВМ, различные системы сбора и обработки данных в крупных экспериментальных установках. При этом за« тронуты вопросы программных систем комплексной обработки экспериментальных данных. Приведены примеры измерительно-вычислительных

-35- , -.

систем для проведения экспериментов в различных областях ядерной физики и физики плазмы, где в первую очередь возникла необходимость в автоматизированных исследованиях для получения и обработки больших массивов данных. Основы знаний, необходимые для практической работы по созданию измерительных систем с использованием аппаратуры КАМАК, мини- и микро-ЭВМ, изложены в [59]. При этом вопросы приме-* нения вычислительных средств и их программного обеспечения рассмотрены на примере ЭВМ типа СМ-4 и «Электроника-60».

Особенно эффективными средства автоматизации стали с началом использования для данных целей персональных компьютеров с дополнительными устройствами обслуживания внешней периферии. Были определены дальнейшие перспективы и принципы построения автоматизированных систем управления на базе микро- и мини-ЭВМ, а также различные архитектуры построения микропроцессорных систем [60, 61]. Развитие микропроцессорной техники позволило создать процессоры цифровой обработки сигналов (контроллеры), подключаемые к стандартным интерфейсам ЭВМ для накопления данных и обработки арифметических алгоритмов [62]. Такие устройства позволяют исключить трудоемкие этапы ручного съема цифровых данных и последующий их ввод с клавиатуры в ЭВМ. Так, устройство сопряжения цифрового вольтметра с ЭВМ запускает цифровой вольтметр по команде приборного интерфейса, преобразует результат измерения в последовательность байтов для передачи по каналу общего пользования и поддерживает протокол обмена служебными сигналами приборного интерфейса [63]. Скорость ввода информации при этом составляет 150 Кбайт/с.

- 36-Использование микроконтроллерных систем с распределенным управлением дало возможность более полно задействовать все возможности персонального компьютера, позволяя осуществлять управление несколькими устройствами, такими как шаговые двигатели [64] или генераторы [65]. При этом принцип управления частотой генератора стал широко использоваться в современных исследованиях. В частности, в ЯМР-спектроскопии дискретная частотная развертка позволяет получать спектральные характеристики образцов без ухудшения разрешения. Для сравнения методик в исследованиях были получены спектры метильной группы этилбензола, снятые при магнитной развертке и дискретной частотной развертке при использовании японского спектрометра JNM-C-60 [66]. Описан метод и аппаратура для автоматической настройки генератора на одну из собственных частот резонатора в десятитисантиметровом диапазоне длин волн [67]. При этом разработана схема следящего генератора, которая позволяет автоматически управлять его частотой. В приборе относительная погрешность определения собственной частоты составляет ±1.2-10"⁷ в рассмотренном диапазоне, что удовлетворяет требованиям точных измерений распределения электромагнитных полей в резонаторах методом пробного тела.

Современные исследования в микроволновом диапазоне требуют создания адекватных автоматизированных комплексов. Так, в работе [68] представлена система управления спектрорадиометром 3-миллиметрового диапазона длин волн на базе персональной ЭВМ типа IBM PC. Для управ? ления компонентами приемника и передачи данных использован специализированный интерфейс с одноплатным контроллером, сопряженным с компьютером через слот расширения шины ISA. Измерительный комплекс

-37-работает в диапазоне 90ч-110 ГГц и предназначен для дистанционного зондирования атмосферы Земли. Получаемые цифровые данные после предварительной обработки сохраняются в дисковой памяти, а также подаются на электронно-лучевой осциллограф для текущего контроля за процессом измерений.

Применение открытого резонатора обеспечивает очень точные средства для исследования материалов с малыми потерями. Рассмотрим случай, когда высокодобротный полусферический открытый резонатор соединен с автоматическим анализатором миллиметрового диапазона длин волн [69]. Анализатор делает возможным детальное изучение резонансных кривых с усреднением данных с целью снижения влияния шумов. В итоге ав; томатизированный комплекс позволяет на частоте 100 ГГц быстро и точно определять диэлектрическую проницаемость 8>2 с погрешностью 0,02-7-0,04% и тангенс угла потерь в диапазоне IO^-j-IO"³ с погрешностью (6-40)-10^-6.

Подводя итог обзору средств автоматизации, необходимо выделить преимущества автоматизированной экспериментальной установки, представленной в основной части диссертационной работы по сравнению с? другими устройствами. Разработанная в диссертации установка:

1. Универсальна. Ее отдельные узлы и принципы построения широко используются в других областях автоматизации экспериментальных исследований [62 - 66]. Установка пригодна для изучения широкого класса электродинамических систем [125-132].

2. Требует малых затрат и легко копируется. Установку легко воспроизвести в лабораторных условиях вследствие доступности ее основных компонентов автоматизации. В отличие от сложных измерительных комплексов [69] она не требует дорогостоящего оборудования.

3. Комплексна и многофункциональна. В отличие от других установок [56, 57, 67] позволяет одновременно получать и анализировать несколько параметров изучаемого объекта. При необходимости установку можно использовать для других измерений.

4. Оригинальна. Сочетание промышленных узлов с оригинальными разработками и применение новых методик исследований определяют новые возможности в экспериментальных исследованиях.

1.6 Актуальность применения диэлектрических, металлических и комбинированных квазиоптических структур в современных устройствах

Диэлектрические линзы и стержни находят свое применение в лазерных системах в качестве активных сред, фокусирующих и управляющих устройств. Многие применения лазеров часто требуют регулировки выходной мощности в широком диапазоне при сохранении постоянных фокусирующих характеристик пучка. Однако при использовании лазерной системы с одним рабочим стержнем добиться этого достаточно сложно. В таких системах изменение выходной мощности и изменения в модовых характеристиках непосредственно связаны друг с другом, т.к. существует прямая зависимость между мощностью накачки твердотельного лазера и его тепловой фокусировкой. Этого можно избежать, если использовать периодический резонатор с несколькими стержнями [70]. Такой резонатор состоит из оптически эквивалентных секций. Выходная мощность линейно распределяется между всеми периодами резонаторов. Расчет угловой стабильности пучка в данном случае показал, что периодический резонатор

может поддерживать постоянными параметры пучка в большем диапазоне выходных мощностей, чем резонатор с одним стержнем.

Ограниченная предельная мощность одиночных активных элементов миллиметрового диапазона длин волн оставляет актуальной проблему генерации волн в этом диапазоне диодами Ганна и ЛПД. Определенные перспективы в этом направлении открывают исследования генерации и суммирования мощности диодов в квазиоптических резонаторах. Предлагается использовать квазиоптический зеркальный ДР в виде диэлектрического полудиска, выполненного из фторопласта и установленного на плоском металлическом зеркале [71]. Проведенные в диапазоне частот 37-45 ГГц экспериментальные исследования показывают, что в такой системе возбу* ждаются азимутальные колебания высшего порядка, когда по длине полуокружности диэлектрика укладывается целое число полуволн. Два полупроводниковых диода размещаются на диаметрально противоположных периферийных частях полудиска. При подаче напряжения на диоды в них появляются осцилляции тока, возбуждающие азимутальные колебания в резонаторе. В областях расположения каждого диода образуются одинаков во распределенные поля, связанные друг с другом через колебания резонатора. При этом отсутствуют паразитные связи между диодами и осуществляется тепловая развязка между ними. Этим обеспечивается взаимная синхронизация колебаний диодов и суммирование их мощностей. Другим подходом к проблеме увеличения мощности полупроводниковых генераторов является сложение мощности диодов в открытых резонаторах. В каг честве примера можно привести результаты исследований 6-диодного сумматора мощности диодов Ганна восьмимиллиметрового диапазона в ОР [72]. При этом резонатор в такой системе состоит из двух сферических

зеркал с радиусом кривизны 100 мм. Для того, чтобы диоды излучали син-фазно, их необходимо расположить в плоскости равных фаз в пучности поля стоячей волны резонатора, а также добиться примерного равенства генерируемых частот. Первое условие выполняется расположением диодов в прозрачных дифракционных решетках, помещенных в пучности поля'резонатора, второе — при помощи дополнительной настройки резонатора. В результате суммарная мощность такого 6-диодного генератора-сумматора составляет «0,45 Вт. В работе [73] обобщен опыт разработки и исследования твердотельных генераторов на основе открытых резонаторов. Принципиальное отличие таких систем от волноводных заключается в том, что все узлы электродинамической системы на ОР связаны не только между собой, но и с окружающим пространством. Представлены конструкции генераторов, схемы замещения резонансных и колебательных систем, учитывающие связь со свободным пространством. Показано, что накопленный к настоящему времени опыт разработки генераторов с квазиоптическими резонансными системами подтверждает перспективность устройств такого типа в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах.

Описаны фильтры с оптимальной шириной полосы подавления при использовании ступенчатых импедансных резонаторов [74]. Основной тип колебания (f₀) и моды высших порядков в таких резонаторах проанализированы в зависимости от отношения длин частей резонатора с высоким и низким волновым сопротивлением. Получено, что определенное соотношение длин позволяет оптимизировать ширину полосы подавления. При этом можно управлять двумя максимумами подавления в широком частотном диапазоне. Когда местоположение этих двух максимумов определено для двух основных типов колебаний, полоса подавления может быть зна-

-41-чительно расширена. Разработаны и изготовлены фильтры с полосами подавления в областях 4,4fo , 6,5f₀ , 8,2f₀. Получено хорошее согласование между теорией и экспериментальными исследованиями.

Возможно практическое использование полосовых фильтров с хоро« шими электрическими параметрами на основе диэлектрических резонаторов, изготовленных из материалов с большим значением диэлектрической проницаемости, и диэлектрических волноводов. Представлены полосно-запирающий и полосно-пропускающий фильтры [75]. На металлическом полированном основании помещаются различные конфигурации ДВ из поликора и ДР с s=38. При этом в ДР возбуждался Е₀і-тип колебаний. Дли полосно-запирающего фильтра получена АЧХ в диапазоне 80-90 ГГц с потерями в полосе запирания составляющими 32 дБ, а вне полосы 0,3 дБ. Для полосно-пропускающего фильтра потери в полосе пропускания составили 0,7 дБ, а вне полосы 28 дБ.

Представлен новейший подход в подавлении шума в плоскопараллельных волноводах высокоскоростных печатных схем [76]. В этом подходе один из двух проводников волновода заменяется специальной металло-диэлектрической структурой, обладающей фильтрующими свойствами. Основное преимущество данного подхода над другими методами заключается в глобальном подавлении шума по всем направлениям. Фильтрующие структуры можно смоделировать, используя аналитические решения метода поперечного резонанса. Рассчитанные системы были изготовлены и протестированы. Измерения показали, при использовании различных типов структур можно добиться снижения шумовой характеристики на 53% для достаточно широких полос подавления в областях 2,21 и 3,35 ГГц.

Разработаны новые компактные, узкополосные фильтры на резонаторах зигзагообразной формы [77]. Показаны дополнительные преимущества при использовании таких систем. Так, резонаторы в таких фильтрах могут иметь исключительно маленькую величину связи для данного пространства между резонаторами. Это позволяет значительно упростить анализ фильтра, пренебрегая практически отсутствующими паразитными связями. Выбор индуктивного вида связи между нагрузкой и концом резонатора позволяет обеспечивать максимумы затухания с обеих сторон от полосы пропускания, что улучшает характеристики фильтра. Достаточная гибкость используемого подхода оказалась полезной в моделировании перестраиваемых фильтров при необходимости сохранения постоянной ширины и формы полосы пропускания. Представленная модель обеспечила хорошее сохранение ширины и формы полосы пропускания при перестройке диапазона в пределах октавы. Продемонстрированы примеры компьютерного моделирования и результаты исследования высокотемпературных сверхпроводящих пробных образцов с добротностями (85-90)-10³, обеспечивающими узкую полосу пропускания. В примерах были использованы только два резонатора, но те же самые принципы применимы и к фильтрам с большим количеством резонаторов.

Для практического использования представляет интерес исследование кольцевого резонатора и непосредственно связанных с ним микропо_т лосковых линий. Изучены микроволновые характеристики такой системы при использовании низкотемпературной керамики [78]. Представленная схема описана теоретически при использовании простой модели с сосредоточенными элементами, где зазоры связи промоделированы емкостями. Обоснованность такой модели была оценена сравнением вычисленных и

-43-экспериментально полученных резонансных частот, а также коэффициентов отражения и передачи. Полученные результаты позволили предсказать резонансные частоты с точностью 0,11% в диапазоне 5-40 ГГц. Экспери-ментальные результаты показали, что потери в такой микрополосковои линии составляют 0,11-0,42 дБ/см во всем исследуемом диапазоне и относительная диэлектрическая проницаемость подложки составляет величину 6,17 и остается постоянной в зависимости от частоты. При использовании такой модели можно создать фильтр небольших размеров и с малыми вносимыми потерями [79]. Если отказаться от зазора между линиями связи и резонатором, можно обеспечить эффективное согласование элементов фильтра при отсутствии дополнительных потерь на излучение. Кроме того, используемая двухмодовая характеристика позволяет увеличить ширину полосы затухания. Простая теоретическая модель дает возможность рассчитать характеристики фильтра, которые хорошо согласовались с проведенным экспериментом. Используемая схема позволила добиться вноси^ мых потерь менее 1,6 дБ, потерь на отражение около 13 дБ и двух максимумов подавления более чем в 40 дБ в частотных диапазонах 2,75-4,02 ГГц и 7,73-9,08 ГГц. Такие новые фильтры были разработаны для уменьшения интерференции в системах спутниковой связи.

Другой подход к созданию фильтров позволил предложить наиболее гибкую методику как по отношению к количеству, так и к местоположе* нию максимумов подавления [80]. Это позволило рассчитывать максимумы в желательном месте полосы пропускания и контролировать их характеристики. В качестве иллюстрации гибкости подхода представлен фильтр с четырьмя максимумами подавления при использовании нерезонансного

-44-ТЕцо типа колебаний. Широкой полосы подавления можно достигнуть при использовании тщательно подобранных диафрагм связи.

Проведены исследования частотных спектров поверхностных гармо-а ник, КСВН и полного КПД для структуры, выполненной в виде однопе-риодичной гребенки, содержащей два паза на периоде, накрытой слоем полистирола (є=2,5б) [81]. Пазы гребенки соответствуют четвертьволновому резонансу по глубине. Результаты получены в диапазоне 8-И 2,4 ГГц для Е- и Н- поляризаций поверхностных волн. Поверхностные волны возбуждались в диэлектрическом волноводе двумя пирамидальными рупорам ми. На основе исследованной структуры предложена конструкция плоской антенны с электронно-управляемой поляризационной чувствительностью, полный КПД которой достигает 75%.

Несмотря на многообразие типов рассмотренных электродинамических систем, общей задачей исследования является дальнейший поиск конструкций, эффективных по совокупности показателей качества, важнейшие из которых - добротность, масса, разреженность спектра, и выявление особенностей спектральных характеристик этих систем. Общая схема взаимосвязи разных типов структур, исследованных на автоматизированной экспериментальной установке, изображена на рис. 1.2. Результаты исследований представлены в работах [104-132].

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ 1)волновод 2) резонатор

МЕТАЛЛИЧЕСКИЙ

1. волновод

2. резонатор

Периодические

диэлектрические

структуры

_-а

Периодические диэлектрические

структуры с металлизацией

Система даэлектрик--зеркало

Резонатор с диэлектриком

Периодические

металлические

структуры

и связанные

резонаторы

Рис. 1.2 Схема взаимосвязи исследованных структур

Г ЛАВ AII

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

2.1 Описание экспериментальной установки

Структурно установка (рис. 2.1) состоит из генератора СВЧ-излучения с длиной волны 6-ь8 (4ч-6) мм, волноводного тракта, исследуемой резонансной системы, детектора (Д), усилителя детектированного сигнала и осциллографа (ОС). Для автоматизации эксперимента в установку были добавлены дополнительные устройства: контроллеры, схемы управления генератором (ЦАП) и шаговыми двигателями, шаговые двигатели (ШД1,ШД2), АЦП и управляющая ЭВМ.

С СВЧ-генератора Г4-142 (Г4-141) сигнал, промодулированный прямоугольным меандром (1 кГц), через волноводный тракт с развязывающим аттенюатором поступает на исследуемую систему. Объект исследования может представлять собой двухзеркальный открытый резонатор с ме-таллическими зеркалами произвольной формы, систему дифракционно связанных резонаторов, подобные структуры с диэлектрическими образцами внутри или собственно диэлектрические образцы различной конфигурации. Ввод и вывод энергии в зеркальных системах осуществляется через отверстия связи в зеркалах с помощью диэлектрических волноводов, диэлектрические структуры возбуждаются непосредственно волноводом. Сигнал с выхода системы далее детектируется и поступает на усилитель-преобразователь, на выходе которого мы

У

с и л и

Е Л

Исследуемая система

Е Н Е Р А Т О

р

ШД2

КОНТРОЛЛЕР 1

КОНТРОЛЛЕР 2

ПЭВМ

Рис. 2.1 Схема экспериментальной установки.

имеем уже постоянную составляющую по напряжению, пропорциональ_: ную коэффициенту передачи через систему. Далее при помощи цифрового вольтметра (исполняющего роль АЦП) аналоговый сигнал может быть преобразован в цифровой для представления в графическом виде при помощи ПЭВМ.

Использование в данном случае амплитудной модуляции меандром позволяет избавиться от паразитных девиаций по напряжению. Осциллограф в представленной схеме служит для визуального контроля за наличием сигнала.

2.2 Усилитель-преобразователь

Принципиальная схема усилителя представлена на рис.2.2. Первый, каскад, собранный на транзисторах КТ315 и КТ361 с общим коэффициентом усиления ki«30, обеспечивает высокое входное сопротивление («200кОм) всей схемы в целом. Второй каскад, основным элементом которого является микросхема К140УД7 (Mi), имеет коэффициент усиления к₂«90; в цепи обратной связи стоит узкополосный фильтр с центральной частотой пропускания ґо=1кГц и добротностью Q₀=40, что обеспечивает лучшее прохождение полезного сигнала на фоне возможных помех. Третий каскад, также использующий К140УД7 (М₂), обеспечивает дополнительное усиление сигнала (к₃«100). В итоге с учетом потерь получаем суммарный коэффициент усиления всей схемы k_s=2,5-10⁵. Оконечный детекторный каскад, собранный по схеме удвоения напряжения, обеспечивает преобразование сигнала в постоянную составляющую, необходимую для работы следующего узла установки - АЦП.

1.5к 1.5к

ХО-22

_"Q

+12 1кТ |

0.01 91 к

0.1

Д9д;

-X-

0.1

к АЦП 110к я

Рис. 2.2 Принципиальная схема усилителя.

2.3 Автоматизация установки и методики измерений

В зависимости от конфигурации электродинамических систем используются различные методики их исследования.

1) Системы с изменяемой геометрией (к ним относятся двухзеркаль-ные открытые резонаторы и их модификации) могут быть изучены при изменении расстояния между отражателями. При этом одно из зеркал резонатора укрепляется неподвижно на оптической скамье; другое зеркало размещается на столике с микрометрическими подачами, закрепленном на оптической скамье. Перемещение этого зеркала вдоль оптической скамьи осуществляется при помощи шагового двигателя (ШД1), которым посред-ством контроллера управляет ПЭВМ. В результате получаем графическую зависимость коэффициента передачи от расстояния между зеркалами, а анализ коэффициента передачи дает возможность по ширине резонансной кривой рассчитать добротность. При минимальном шаге в 5 мкм для шагового двигателя и при расстоянии между зеркалами 50 мм удается фиксировать колебания с добротностью до 10⁴. Программное обеспечение, напи-санное на языке СИ, предусматривает работу на ПЭВМ в диалоговом режиме, при этом используется хорошо известный принцип "меню". Сначала осуществляется ввод начальных параметров, таких как первоначальное расстояние между зеркалами исследуемой системы и величина шага перемещения по координатной сетке. Затем в автоматическом режиме осуществляется выборка массива данных. Высокая точность измерений обеспечивается десятикратным чтением показаний вольтметра в течение одного измерения, усреднением и исключением результатов, не попадающих в доверительный интервал. Это, в частности, дает возможность исключить

влияние кратковременных выбросов-помех на получаемые результаты. Возможен пошаговый съем данных с остановкой после каждого шага, а также использование программы для точной юстировки зеркал. Вывод данных осуществляется в графическом виде, в численном виде производится запись в файл.

2. Для исследования распределения поля в резонансной системе применяется метод пробного тела. Особенностью данного метода является то, что при неизменной геометрии системы и при поддержании частоты возбуждения постоянной в систему помещается пробное тело из поглощающего материала, размеры которого меньше длины волны. Такой объект, помещенный в систему, изменяет её добротность, что влечет за собой изменение коэффициента передачи, что и регистрируется в процессе измерения. Пробное тело вводится в резонансную систему и перемещается при помощи шагового двигателя (ШД2) и системы подвеса пробного тела. Для детального исследования ОРС эта процедура выполняется в два прохода по заданной координатной сетке. Программно задается шаг измерений, и пробное тело перемещается сначала в горизонтальном, а затем в верти! кальном направлении в плоскости, перпендикулярной оптической оси системы. Как и в случае определения спектра, полученные данные записываются в файл с указанием координат и уровня сигнала, а также выводятся на экран дисплея в графическом виде. Минимальный шаг при этом составляет 330 мкм.

3. В некоторых случаях при исследовании малоразмерных резонансных систем с небольшими расстояниями между зеркалами получить распределение поля можно и другим способом. Если выходное зеркало -плоское и достаточно большого размера, чтобы влиянием краев молено

было пренебречь, то его перемещение в направлении, перпендикулярном оптической оси системы, не вносит изменений в распределение поля. Перемещая зеркало и проводя измерения, получаем зависимость интенсивности волны от положения отверстия связи. Однако в этом случае можно получить распределение поля только в центре соответствующей симметричной резонансной системы.

4. На установке реализован также метод частотной развертки, основанный на использовании аналогового входа генератора. С помощью схемы управления, включающей в себя ЦАП, ПЭВМ осуществляет плавную перестройку частоты генератора. При этом регистрируется зависимость коэффициента передачи от частоты, то есть собственно спектр системы, и вычисляется значение добротности. Данная методика позволяет исследовать любые электродинамические системы при их неизменной геометрии.

5. Комбинированная методика, сочетающая в себе методы частотной развертки и изменения расстояния между отражателями, позволяет одновременно фиксировать три параметра исследуемой системы: коэффициент передачи, частоту и расстояние между отражателями. Создана программа, которая модернизировала и объединила в себе управляющее программное обеспечение имеющихся методик. Результатом явилась возможность получения трехмерных изображений - спектральных зависимостей трех параметров исследуемой системы. Преимущества данной методики в наглядности при демонстрации особенностей системы и поиске оптимального сочетания параметров.

Используемый в установке генератор имеет один цифровой вход с дискретностью переключения 10 МГц и два аналоговых. Цифровой вход дает возможность максимального определения добротности возбуждае-

мых в ОРС колебаний порядка (5-^-7)-10 . Узкополосный аналоговый вход имеет диапазон вводимых напряжений от -0,5 В до +0,5 В, при этом частота генератора меняется от fo-0,5 ГГц до fo+0,5 ГГц (где f₀ - частота, выставляемая на генераторе). Подключение к данному входу схемы управления дает возможность добиться минимального шага 0,5 МГц, что увеличивает верхний предел вычисляемых значений добротности до (1ч-1,4)-10⁵.

2.4 Схема управления генератором

Принципиальная схема нестандартного модуля управления с ЦАП приведена на рис. 2.3. Чтобы обеспечить достаточную точность шага с погрешностью не более 15% был использован 12-ти разрядный прецизионный двуполярный ЦАП К594ПА1 (Мі), который дает ошибку 50% от младшего разряда. Необходимость двуполярного ЦАП обусловлена заданным диапазоном напряжений от - 0,5 до + 0,5 В на узкополосном входе. Узел на микросхеме К140УД6 (М₂) преобразует выход по току в выход по напряжению в диапазоне от -5 до +5 В. При этом сопротивления R) и R₂ задают смещение нулевой точки выходного напряжения микросхемы К140УД6 в небольших пределах: R₂ - грубо, Ri - плавно; сопротивления R₃, R4 снижают напряжение до ±0,5 В. На микросхеме К553УД2 (М₃) собран повторитель и сумматор. Как повторитель узел стабилизирует выходное напряжение в течение шага. Назначение его как сумматора рассмотрим чуть ниже. На М4 - Мб выполнены вторичные источники питания, которые обеспечивают напряжения 10 В, 5 В, +15 В, -15 В для питания микросхем. С целью обеспечения хорошей стабилизации применены прецизионные

+15 -15

*. к Г4-141

+1 І200І 20.oT" "ЗГ⁺"Д-¹

Рис. 2.3. Схема управления генератором.

двуполярные стабилизаторы К142ЕН6 с коэффициентом стабилизации напряжения 0,005%.

Теперь рассмотрим необходимость введения в схему сумматора. При подключении к аналоговому входу управляющих элементов частотная-ха*-рактеристика генератора смещается, из-за чего рабочий частотный диапазон (53,5^-78,3 ГГц) значительно сужается. Таким образом, чтобы откорректировать частотную характеристику и расширить диапазон, МЗ совместно с R₅ и Кб используется как сумматор, a R₅ задает дополнительное смещение. В результате ширина частотного диапазона уменьшается незна-чительно и составляет 53,5 -5-75 ГГц.

2.5 Обработка спектра и определение добротности

В результате использования узкополосного аналогового входа генератора весь исследуемый частотный диапазон делится на одиннадцать поддиапазонов, каждый из которых обрабатывается отдельно. В случае необходимости осуществляется сшивка отдельных частей, либо получение полного спектра (53,5 -г 75 ГГц).

Каждый участок спектра, записанный в файл в виде цифрового массива, может быть представлен в графическом виде на экране монитора. Затем, проанализировав полученные резонансные кривые, можно осуще» ствить их сортировку для дальнейшего определения добротности. Выбор производится по ширине и высоте резонансного пика, что позволяет ограничиться вычислением добротности только тех колебаний, которые представляют интерес для исследования. Добротность вычисляется по формуле

Q ⁼ fl(fi ~f\), где/- резонансная частота исследуемого типа колебаний, zfi-fi - ширина резонансной кривой на половине ее высоты.

В качестве дополнительных ресурсов необходимо упомянуть про-грамму сглаживания спектра, а также возможность учета зависимости выходной мощности генератора от частоты. Данная зависимость имеет неравномерный характер, что, естественно, оказывает влияние на спектр исследуемых систем. Она получена экспериментально с минимальным шагом и при необходимости "вычитается" из общего спектра.

При использовании комбинированной методики для обработки мае* сива данных и получения трехмерных изображений спектров написана соответствующая программа для пакета MathLab 6.0, что дает возможность использовать цветовую гамму, вращать спектр для нахождения наилучшего ракурса и т.д.

Подробное описание методик и использование стандартных узлов и программ приведено в [111, 113, 114, 116, 117, 124, 126, 131].

2.6 Ошибки измерений

2.6.1 Измерение распределения поля.

При получении распределения поля заданного типа колебаний можно говорить об ошибках измерения координаты и напряженности поля (соответствующему напряжению на детекторе). Погрешность измерения координаты определяется размерами пробного тела и примерно равна половине его диаметра (1 мм). Но в этих измерениях количественные характе-

-57-ристики и соответствующие погрешности не представляют интереса, т.к. цель таких экспериментов - общая качественная картина поля.

2.6.2 Измерение спектра.

^Погрешности, связанные с вольт-амперной характеристикой ШАХ) детектора.

ВАХ детектора, представляющего собой германиевый СВЧ-диод, носит нелинейный характер. Так как измерения проводились при малых мощностях генератора, ВАХ детектора — квадратична (I=U²). Однако, ь процессе эксперимента при небольшом изменении выходной мощности генератора показатель степени (п=2) в квадратичной ВАХ меняется незначительно (Лп=0,2). При этом относительная погрешность величины тока детектора составляет около 10%, что может проявиться на графиках в виде логарифмирования спектра. Однако, при контроле выходной мощности генератора можно считать, что эта погрешность большого значения не имеет.

Говоря о частотной зависимости ВАХ детектора, следует отметить, что при исследовании не очень широкого участка спектра большая ошибка не вносится, так как в измеренных зависимостях представляют интерес относительные величины, а не абсолютные. То же можно сказать, рассматривая зависимость ВАХ детектора от температуры.

^Погрешности, связанные с ВАХ генератора.

Погрешности, вызванные нестабильностью работы генератора, не существенны по причинам, указанным выше. Нелинейность ВАХ генера-

тора и ее влияние на спектральные характеристики учитывается программно.

2.6.3 Вычисление добротности

^Развертка в зависимости от расстояния между отражателями (автоматический и ручной режимы).

Пользуясь общей формулой для относительной погрешности [82]

Ах Ау

Ґ„Л - ' ,. > (2-1)

можно определить эту погрешность для получаемых значений добротности.

Добротность можно оценить по формуле

-^2 -Ч.

где L - расстояние между отражателями, a L₂-Li - ширина резонансной кривой на половине ее высоты.

Тогда относительная погрешность при расчете добротности определяется как:

(2.3)

AQ AL A(L₂-L_X)

Q L L₂-L_x Учитывая, что A(L₂-Li)= AL₂+AL], получаем:

(2.4)

AQ AL AL₂+AL_l

Q L L₂-L_x ' где AT.2, ALj - погрешности определения соответствующих расстояний. В экспериментальной установке AL₂ и AL] не превышают 5 мкм (половину

-59-минимального деления микрометрической подачи). Расстояние L измеряется штангенциркулем с ошибкой AL не более 0,05 мм; следовательно, первым слагаемым в формуле (2.4) можно пренебречь, так как его вклад в общую сумму не превысит 0,25%. Тогда, учитывая, что рабочий диапазон изменения L составляет 20-И 00 мм, для добротности Q=10³ по формуле (2.2) рассчитываем L₂-Lj = 0,02-5-0,1 мм.

Таким образом, для Q=10 , /,=20-5-100 мм по формуле (2.4) получаем

погрешность

^2-100% = (10-5-50)% О

Для Q=10⁴,1,=20-5-100 мм имеем L₂-L\ =0,002-5-0,01 мм и погрешность

^2-100% = (100-4-500)%.

^Ручная развертка по частоте

При исследовании частотных характеристик систем добротность вычисляется по формуле

2 = 7"ГТ> (2.5)

Jl /і

где/- частота возбуждения исследуемого типа колебаний, a/ -fi - ширина резонансной кривой на половине ее высоты. Используя формулу (2.1) и проводя преобразования, аналогичные вышеуказанным, получаем выражение для относительной погрешности

Aj2_A/ А/₂₊А/,

Q f fi-f, ' ⁽ '

где Af, Afi_t Af₂ - погрешности определения соответствующих частот, которые определяются минимальным шагом переключения частоты генератора - 10 МГц. Тогда, учитывая, что рабочий диапазон изменения/составляет 53,5+75 ГГц, для добротности Q=10³ по формуле (2.5) получаем f₂ -fj = 53,5+75 МГц. Первым слагаемым в формуле (2.6) можно пренебречь, так как соответствующий вклад в общую сумму не превысит 0,02%.

Таким образом, для Q=10 ,/= 53,5-7-75 ГГц по формуле (2.6) получа-

*

ем погрешность

^2-100% = (27 + 37)%.

Для Q=10⁴,/ = 53.5+75 ГГц имеем f₂-fj =5,35+7,5 МГц и относительную погрешность величины добротности

^100% = (270-370)%,

которую можно значительно уменьшить при автоматизированных исследованиях.

^Автоматизированная развертка по частоте.

Введение в установку элементов автоматизации позволило умень-. шить шаг и соответствующие погрешности Afi Af₂ по частоте до величины 0,5 МГц. Используя формулу (2.6) и пренебрегая в ней первым слагаемым, для Q=10³,/= 53,5+75 ГГц имеем/ -/_; = 53,5+75 МГц и погрешность

^100% = (1,3 + 1,9)%

Для Q=10⁴,/ = 53.5-5-75 ГГц имеем f₂ -f, = 5,35-5-7,5 МГц и погреш_; ность

— -100% =:(13-5-19)%

Q ^{К }} "

Максимальная величина добротности, которую можно наблюдать на данной установке, составляет Q=10⁵. Однако, относительная погрешность при этом превышает 100%.

2.7 Время получения и обработки данных при автоматизации измерений

Время получения и обработки экспериментальных результатов на автоматизированной установке определяется как видом измерения, так и количеством точек получаемого массива данных. При разных видах измерений различия во времени определяются тем, что при снятии частотного спектра компьютер осуществляет управление генератором, а при получении зависимости коэффициента передачи от расстояния между отражателями (пространственного спектра) и распределения поля - компьютер управляет шаговыми двигателями. Данные о соответствующих временных интервалах для типичных режимов работы автоматизированной установки представлены в табл. 2.1.

Время обработки полученных массивов данных и построения графических изображений определяется мощностью компьютера, возможностями используемых графических редакторов и составляет в среднем около 10 мин.

Таблица 2.1 Временные интервалы для типичных режимов работы автоматизированной установки.

Периодические диэлектрические структуры

Колебательные системы из двух или более связанных диэлектрических резонаторов применяются в устройствах СВЧ в качестве частотно-избирательных, разделительных и согласующих цепей. Разработка таких структур встречает серьезные трудности, так как исследованы они недостаточно полно. Одна из таких систем [15], состоящая из N цилиндрически ДР, расположенных соосно в круглом экране, может быть использована в ряде СВЧ-устройств. Структура представляет собой нерегулярный волновод постоянного сечения и условно разделена на области, отображающие ДР со специальными кольцевыми держателями, области связи между ДР и торцевые области без ДР. Решая уравнение Гельмольца в каждой области, можно получить выражения для составляющих электромагнитного поля и уравнения для собственных частот в системе. Для похожей модели проведен аналитический и численный анализ связанных волноводно-диэлектрических и диэлектрических резонаторов. Исследуемая система [16] представляет собой N одинаковых диэлектрических пластин с продольным размером /ь расположенных на расстоянии h Друг от друга перпендикулярно к оси регулярного запредельного волновода произвольного поперечного сечения с "электрическими" боковыми стенками для ВДР и "магнитными" боковыми стенками для ДР. Такая модель позволяет произвести строгий расчет связанных ВДР и приближенный расчет для ДР. При волноводно-диэлектрическом резонансе (резонанс волноводных типов волн в объеме диэлектрика) электромагнитное поле сосредоточено в основном внутри диэлектрика, а вне его экспоненциально спадает.

Поэтому для возникновения этого вида резонанса необходимо, чтобы используемый волноводный тип волн был распространяющимся на участке волновода с диэлектриком и запредельным в пустом волноводе. Для ДР указанные условия также справедливы и являются основным допущением для расчета резонансных частот. В результате с использованием метода частичных областей получены формулы для определения резонансных частот системы из N резонаторов. В качестве примера приведены результаты численного расчета для двух, трех и четырех связанных резонаторов. В работе [17] найдены расчетные соотношения для определения собственных частот и коэффициентов связи волноводно-диэлектрических резонаторов, разделенных металлической диафрагмой. Получены экспериментальные данные для резонаторов, выполненных на запредельных волноводах квадратного или прямоугольного сечения. Экспериментальная проверка полученного выражения для коэффициента связи двух ВДР осуч ществлялась в диапазоне частот 3-М ГГц. В качестве диэлектрика использовался плавленый кварц с є=3,8. Приведены теоретические зависимости коэффициента связи от размеров отверстия связи и экспериментальные значения. Отмечено удовлетворительное совпадение теории и эксперимента. Показано, что такие ВДР, разделенные металлическими диафрагмами, могут являться конструктивными звеньями двухмодовых волноводнс? диэлектрических фильтров. В попытке создать узкополосный фильтр исследована периодическая диэлектрическая структура, период которой составляют два слоя толщиной а и Ъ с показателями преломления п2 и nj соответственно [18]. Слой толщиной а может быть изотропным диэлектриком, кубическим или одноосным кристаллом, ориентированным так, чтобы проходящая волна была необыкновенной. Предположим, что И; =1 (воздух), а число периодов обозначим N. Такая система обладает характеристиками фильтра. Для его уз-кополосности должно быть п2»1.

Известны материалы, имеющие п2&№2 и. малое поглощение в области ультракоротких волн. Такие материалы обладают значительным электрооптическим эффектом, что позволяет менять п2, т.е. перестраивать фильтр. Ширина полосы пропускания ДА, определяется формулой где А,с - длина волны в центре полосы пропускания. Для того, чтобы полосу пропускания ограничивали с обеих сторон полосы отражения, слоистая система должна быть многослойной с числом периодов N не менее Ю-т-15. Для расчета такой системы необходимо выбрать подходящий диэлектрик, прозрачный в рассматриваемой области частот, задать центральную длину волны и рассчитать толщины слоев периодической структуры [19]. Рассматривая отдельные элементы и узлы СВЧ-устройств, необходимо отметить задачу о связанных резонаторах с магнитодиэлектрической средой. В частности, можно рассмотреть исследование дифракционных характеристик N-связанных ортогональных разветвлений прямоугольных волноводов с магнитодиэлектрическим резонатором (МГДР) [20]. Данную структуру можно рассматривать как N связанных элементарных блоков Блоками являются закороченные по высоте Т-образные разветвления прямоугольных волноводов с МГДР. Неоднородности соединены между собой отрезками волноводов одинаковой длины. Для такой системы получены аналитические выражения для инженерных расчетов резонансных частот.

Приведена классификация волноводно-диэлектрических резонансов базовых элементов. Показана возможность применения данной структуры в качестве узкополосных и широкополосных СВЧ-фильтров. Исследование спектра и других характеристик ОР с диэлектрическими телами представляет интерес при решении ряда практических вопросов современной радиофизики. Так, например, диэлектрики вводятся в ОР для исследования свойств и измерения параметров самих диэлектриков [21]. Традиционными микроволновыми методами обычно измерялись диэлектрические характеристики плоских объектов [22]. При этом использовались вогнутые конфокальные резонаторы, имеющие высокую добротность и малые потери на излучение. Проводились измерения образцов, расположенных в центре резонатора таким образом, чтобы согласовать близкий к плоскому волновой фронт колебаний в резонаторе с поверхностью образца. При этом использовалась теория возмущений, чтобы компенсировать отклонения геометрии поверхности образца от идеальной. Было показано [23], что ОР может быть использован как точный инструмент измерения диэлектрической постоянной (є) и тангенса угла потерь (tg5) плоского ди; электрика. В частности, были получены значения є для полистирола и дру

Актуальность применения диэлектрических, металлических и комбинированных квазиоптических структур в современных устройствах

Диэлектрические линзы и стержни находят свое применение в лазерных системах в качестве активных сред, фокусирующих и управляющих устройств. Многие применения лазеров часто требуют регулировки выходной мощности в широком диапазоне при сохранении постоянных фокусирующих характеристик пучка. Однако при использовании лазерной системы с одним рабочим стержнем добиться этого достаточно сложно. В таких системах изменение выходной мощности и изменения в модовых характеристиках непосредственно связаны друг с другом, т.к. существует прямая зависимость между мощностью накачки твердотельного лазера и его тепловой фокусировкой. Этого можно избежать, если использовать периодический резонатор с несколькими стержнями [70]. Такой резонатор состоит из оптически эквивалентных секций. Выходная мощность линейно распределяется между всеми периодами резонаторов. Расчет угловой стабильности пучка в данном случае показал, что периодический резонатор в большем диапазоне выходных мощностей, чем резонатор с одним стержнем. Ограниченная предельная мощность одиночных активных элементов миллиметрового диапазона длин волн оставляет актуальной проблему генерации волн в этом диапазоне диодами Ганна и ЛПД. Определенные перспективы в этом направлении открывают исследования генерации и суммирования мощности диодов в квазиоптических резонаторах. Предлагается использовать квазиоптический зеркальный ДР в виде диэлектрического полудиска, выполненного из фторопласта и установленного на плоском металлическом зеркале [71]. Проведенные в диапазоне частот 37-45 ГГц экспериментальные исследования показывают, что в такой системе возбу ждаются азимутальные колебания высшего порядка, когда по длине полуокружности диэлектрика укладывается целое число полуволн. Два полупроводниковых диода размещаются на диаметрально противоположных периферийных частях полудиска. При подаче напряжения на диоды в них появляются осцилляции тока, возбуждающие азимутальные колебания в резонаторе.

В областях расположения каждого диода образуются одинаков во распределенные поля, связанные друг с другом через колебания резонатора. При этом отсутствуют паразитные связи между диодами и осуществляется тепловая развязка между ними. Этим обеспечивается взаимная синхронизация колебаний диодов и суммирование их мощностей. Другим подходом к проблеме увеличения мощности полупроводниковых генераторов является сложение мощности диодов в открытых резонаторах. В каг честве примера можно привести результаты исследований 6-диодного сумматора мощности диодов Ганна восьмимиллиметрового диапазона в ОР [72]. При этом резонатор в такой системе состоит из двух сферических зеркал с радиусом кривизны 100 мм. Для того, чтобы диоды излучали син-фазно, их необходимо расположить в плоскости равных фаз в пучности поля стоячей волны резонатора, а также добиться примерного равенства генерируемых частот. Первое условие выполняется расположением диодов в прозрачных дифракционных решетках, помещенных в пучности поля резонатора, второе — при помощи дополнительной настройки резонатора. В результате суммарная мощность такого 6-диодного генератора-сумматора составляет «0,45 Вт. В работе [73] обобщен опыт разработки и исследования твердотельных генераторов на основе открытых резонаторов. Принципиальное отличие таких систем от волноводных заключается в том, что все узлы электродинамической системы на ОР связаны не только между собой, но и с окружающим пространством.

Представлены конструкции генераторов, схемы замещения резонансных и колебательных систем, учитывающие связь со свободным пространством. Показано, что накопленный к настоящему времени опыт разработки генераторов с квазиоптическими резонансными системами подтверждает перспективность устройств такого типа в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах. Описаны фильтры с оптимальной шириной полосы подавления при использовании ступенчатых импедансных резонаторов [74]. Основной тип колебания (f0) и моды высших порядков в таких резонаторах проанализированы в зависимости от отношения длин частей резонатора с высоким и низким волновым сопротивлением. Получено, что определенное соотношение длин позволяет оптимизировать ширину полосы подавления. При этом можно управлять двумя максимумами подавления в широком частотном диапазоне. Когда местоположение этих двух максимумов определено для двух основных типов колебаний, полоса подавления может быть зна чительно расширена. Разработаны и изготовлены фильтры с полосами подавления в областях 4,4fo , 6,5f0 , 8,2f0. Получено хорошее согласование между теорией и экспериментальными исследованиями. Возможно практическое использование полосовых фильтров с хоро« шими электрическими параметрами на основе диэлектрических резонаторов, изготовленных из материалов с большим значением диэлектрической проницаемости, и диэлектрических волноводов. Представлены полосно-запирающий и полосно-пропускающий фильтры [75]. На металлическом полированном основании помещаются различные конфигурации ДВ из поликора и ДР с s=38. При этом в ДР возбуждался Е0і-тип колебаний. Дли полосно-запирающего фильтра получена АЧХ в диапазоне 80-90 ГГц с потерями в полосе запирания составляющими 32 дБ, а вне полосы 0,3 дБ. Для полосно-пропускающего фильтра потери в полосе пропускания составили 0,7 дБ, а вне полосы 28 дБ. Представлен новейший подход в подавлении шума в плоскопараллельных волноводах высокоскоростных печатных схем [76]. В этом подходе один из двух проводников волновода заменяется специальной металло-диэлектрической структурой, обладающей фильтрующими свойствами. Основное преимущество данного подхода над другими методами заключается в глобальном подавлении шума по всем направлениям. Фильтрующие структуры можно смоделировать, используя аналитические решения метода поперечного резонанса. Рассчитанные системы были изготовлены и протестированы. Измерения показали, при использовании различных типов структур можно добиться снижения шумовой характеристики на 53% для достаточно широких полос подавления в областях 2,21 и 3,35 ГГц.

Схема управления генератором

Принципиальная схема нестандартного модуля управления с ЦАП приведена на рис. 2.3. Чтобы обеспечить достаточную точность шага с погрешностью не более 15% был использован 12-ти разрядный прецизионный двуполярный ЦАП К594ПА1 (Мі), который дает ошибку 50% от младшего разряда. Необходимость двуполярного ЦАП обусловлена заданным диапазоном напряжений от - 0,5 до + 0,5 В на узкополосном входе. Узел на микросхеме К140УД6 (М2) преобразует выход по току в выход по напряжению в диапазоне от -5 до +5 В. При этом сопротивления R) и R2 задают смещение нулевой точки выходного напряжения микросхемы К140УД6 в небольших пределах: R2 - грубо, Ri - плавно; сопротивления R3, R4 снижают напряжение до ±0,5 В. На микросхеме К553УД2 (М3) собран повторитель и сумматор. Как повторитель узел стабилизирует выходное напряжение в течение шага. Назначение его как сумматора рассмотрим чуть ниже. На М4 - Мб выполнены вторичные источники питания, которые обеспечивают напряжения 10 В, 5 В, +15 В, -15 В для питания микросхем. С целью обеспечения хорошей стабилизации применены прецизионные двуполярные стабилизаторы К142ЕН6 с коэффициентом стабилизации напряжения 0,005%. Теперь рассмотрим необходимость введения в схему сумматора. При подключении к аналоговому входу управляющих элементов частотная-ха -рактеристика генератора смещается, из-за чего рабочий частотный диапазон (53,5 -78,3 ГГц) значительно сужается. Таким образом, чтобы откорректировать частотную характеристику и расширить диапазон, МЗ совместно с R5 и Кб используется как сумматор, a R5 задает дополнительное смещение. В результате ширина частотного диапазона уменьшается незна-чительно и составляет 53,5 -5-75 ГГц. В результате использования узкополосного аналогового входа генератора весь исследуемый частотный диапазон делится на одиннадцать поддиапазонов, каждый из которых обрабатывается отдельно. В случае необходимости осуществляется сшивка отдельных частей, либо получение полного спектра (53,5 -г 75 ГГц).

Каждый участок спектра, записанный в файл в виде цифрового массива, может быть представлен в графическом виде на экране монитора. Затем, проанализировав полученные резонансные кривые, можно осуще» ствить их сортировку для дальнейшего определения добротности. Выбор производится по ширине и высоте резонансного пика, что позволяет ограничиться вычислением добротности только тех колебаний, которые представляют интерес для исследования. Добротность вычисляется по формуле Q = fl(fi f\), где/- резонансная частота исследуемого типа колебаний, zfi-fi - ширина резонансной кривой на половине ее высоты. В качестве дополнительных ресурсов необходимо упомянуть про-грамму сглаживания спектра, а также возможность учета зависимости выходной мощности генератора от частоты. Данная зависимость имеет неравномерный характер, что, естественно, оказывает влияние на спектр исследуемых систем. Она получена экспериментально с минимальным шагом и при необходимости "вычитается" из общего спектра. При использовании комбинированной методики для обработки мае сива данных и получения трехмерных изображений спектров написана соответствующая программа для пакета MathLab 6.0, что дает возможность использовать цветовую гамму, вращать спектр для нахождения наилучшего ракурса и т.д. Подробное описание методик и использование стандартных узлов и программ приведено в [111, 113, 114, 116, 117, 124, 126, 131]. При получении распределения поля заданного типа колебаний можно говорить об ошибках измерения координаты и напряженности поля (соответствующему напряжению на детекторе). Погрешность измерения координаты определяется размерами пробного тела и примерно равна половине его диаметра (1 мм). Но в этих измерениях количественные характе

Открытый резонатор с диэлектрическим цилиндром

Добавим в систему, изображенную на рис. 3.1, сферическое зеркало идентичное уже имеющемуся. Через отверстие связи в новом зеркале и придвинутый к нему диэлектрический цилиндр осуществим возбуждение колебаний в системе (рис.3.8). Интерес к такой двухзеркальной системе открытого резонатора (ОР) с диэлектриком имелся достаточно давно [9, 12, 30], однако всегда ограничивался частными случаями и рамками поставленных авторами задач. Так подробно была исследована система с плоскими (в основном при L=0) и цилиндрическими зеркалами. В нашем слу чае на выбор геометрии зеркал повлияло желание сделать систему менее чувствительной к перекосам зеркал, что очень заметно в случае с плоскими зеркалами. Кроме того, диэлектрический цилиндр представляет собой неоднородность в резонансном объеме ОР и обладает собственными типами колебаний, поэтому рассмотрены свойства системы с диэлектриком вблизи конфокальной геометрии, когда любые неоднородности дают значительный вклад в изменение характеристик ОР. На рис. 3.9а представлена зависимость амплитуды от частоты для ОР с диэлектрическим цилиндром (d=12 мм, /=100 мм, L=0).

Сравнивая его с соответствующим частотным спектром на рис. 3.2а и 3.3а для системы с одним зеркалом, можно отметить следующие особенности: 1) первая половина спектра приобрела ярко выраженный резонансный (а не волновод-ный) характер; 2) во второй половине спектра система практически не возбуждалась. Важно отметить падение максимальной относительной амплитуды сигнала в системе от 0,95 до 0,855. Это уменьшение обусловлено только отверстием связи в дополнительном зеркале, что позволяет оценить в 10% относительное уменьшение коэффициента связи полученной системы с внешним возбуждающим трактом. Часть частотного спектра (показано стрелкой) в увеличенном масштабе представлена на рис. 3.96 штриховой линией для более подробного рассмотрения. На этом же рисунке сплошной линией отмечена соответствующая часть спектра открытого резонатора без диэлектрика. Сравнивая резонансные кривые, можно отметить, что они практически совпадают по местоположению резонансных пиков на общем графике. Различия заметны лишь в амплитуде и ширине соответствующих резонансов. При этом, необходимо отметить, что в системе с диэлектриком многие резонансы не являются гладкими кривыми, а носят "многопиковый" характер. Т.е. каждая такая кривая состоит из ряда взаимодействующих между собой типов колебаний и их суммарная добротность (Q=300-500), естественно, ниже, чем у колебаний OP (Q=600-2500). И это тот вклад, что привносит в систему открытого резонатора диэлектрический стержень. Однако, с увеличением расстояния между зеркалами ситуация меняется. Как видно из рис.3.10а, начиная с L«20 мм пространственный спектр системы становится более разреженным, представлен ряд из 3-4-х эквидистантных колебаний; причем общая картина этой части спектра более характерна для ОР. И, несмотря на относительно небольшую амплитуду (не более 0,1 для колебания с А,=4,825 мм), величина добротности колебаний Q=900-1500. Таким образом, раздвигая зеркала на расстояние L, необходимое для преобразования (фокусировки) колебаний в системе, можно значительно изменять ее характеристики.

Часть спектра более подробно представлена на рис.3.106. На рисунке цифрами 1,2,3 помечены резонансные типы колебаний, для которых было исследовано распределение поля (рис.3.11). Из рисунка видно, что в системе возбуждаются в общем-то симметричные типы колебаний, сравнимые с колебаниями ТЕМ открытого резонатора. Однако существуют отличия. Во-первых, это недостаточная выраженность боковых максимумов. Во-вторых, имеется небольшая асимметрия резонансных кривых, что в симметричной системе не может быть в полной мере объяснено недостатком юстировки при использовании сферических зеркал. Разумнее предположить, что в системе происходит преобразование колебаний диэлектрика (среди которых много несимметричных) в колебания ОР. Однако, поскольку в отличие от ОР, для данной системы кривых. При уменьшении диаметра диэлектрика количество возбуждающихся типов колебаний увеличивается, их амплитуда возрастает, и при d— 0 наблюдается 6-7 типов колебаний ОР. 1. Введение в систему второго сферического зеркала позволило значительно увеличить резонансной объем всей системы, что привело к расширению свойств характерных для открытого резонатора в целом. 2. Сравнительный анализ исследованных электродинамических систем дает возможность оценить изменение коэффициента связи системы с внешними трактами. 3. Исходя из форм распределения поля исследованных типов колебаний промежуточных по отношению к соответствующим колебаниям ОР, можно сделать вывод, что колебания в системе ОР с диэлектрическим стержнем носят.

Похожие диссертации на Автоматизированные исследования открытых электродинамических систем миллиметрового диапазона

Исследование методов формирования микрорельефа дифракционных оптических элементов инфракрасного диапазона с использованием фоторезистов и фотополимерных композицийМоисеев, Олег Юрьевич

Разработка и исследование генераторов плазмы килогерцевого диапазона частотЧурилов, Григорий Николаевич

Разработка установки и исследование диэлектрических свойств материалов в диапазоне частот до 178 ГГцНонг Куок Куанг

Криостатируемые приемники для спектральных астрономических и атмосферных исследований в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волнВдовин Вячеслав Федорович

Разработка и исследование электрических и оптических характеристик фотодетекторов ультрафиолетового диапазона спектра на основе твердых растворов AlxGa1-xNКурятков Владимир Вениаминович

Разработка и исследование авиационного гиперспектрометра видимого и ближнего ИК диапазоновОрлов Андрей Геннадьевич

Методы исследований многослойной рентгеновской оптики в мягком рентгеновском и вакуумном ультрафиолетовом диапазонахЗуев, Сергей Юрьевич

Метод исследования взаимодействия носителей заряда в гетероструктурах с электрическими полями радиочастотного диапазонаЗаярный Вячеслав Петрович

Исследование сильноточной ускоряющей структуры на четвертьволновых резонаторах и группирователя импульсного релятивистского пучка наносекундного диапазона на ее базеШимко, Анатолий Иванович

Создание и исследование систем криообеспечения ускорителей со сверхпроводящими магнитамиАгапов, Николай Николаевич