ОТКРЫТЫЙ РЕЗОНАТОР ПОВЕРХНОСТНОЙ ВОЛНЫ Российский патент 1994 года по МПК H01J23/213 

Изобретение относится к СВЧ, а более конкретно к объемным резисторам СВЧ, и может быть использовано в качестве колебательной системы электронного прибора СВЧ.

Известен резонатор поверхностной волны, содержащий отрезок линии передачи поверхностной волны и отражатели волн на его концах.

В упомянутой работе резонатор поверхностной волны применяется для исследования свойств замедляющих систем резонансным методом.

Кроме того, такие резонаторы имеют и самостоятельное значение, в частности, они нашли применение в резонансных ЛОВ.

Ввиду наличия отражателей волн на концах линии поверхностной волны она приобретает свойства резонатора, имеющего ряд резонансных частот.

Рабочим объемом резонатора поверхностной волны является область вблизи поверхности замедляющей системы толщиной, приблизительно равной длине замедленной волны на соответствующей частоте. Этот объем в резонансной ЛОВ является пространством взаимодействия между электронным потоком и высокочастотным полем. Благодаря резонансным свойствам колебательной системы повышается амплитуда поля и, следовательно, мощность взаимодействия электронного потока с полем поверхностной волны и эффективность работы всего прибора в целом.

Резонансные частоты резонатора поверхностной волны определяются условиями, при которых вдоль линии между отражателями укладывается целое число замедляющих полуволн. В связи с этим одним из недостатков резонатора поверхностной волны является сильное сгущение спектра собственных частот при увеличении длины резонатора, т.е. при увеличении его рабочего объема. Так, в резонансных ЛОВ число резонансных колебаний резонатора поверхностной волны может достигать несколько десятков.

Таким образом, повышение эффективности работы резонансной ЛОВ по сравнению с нерезонансной влечет за собой нежелательное сгущение спектра и сужение диапазона электронной перестройки. Для сохранения диапазона электронной перестройки в резонансной ЛОВ необходимо существенно ограничивать длину резонатора и, следовательно, его рабочий объем. Это отрицательно сказывается на эффективности всего прибора в целом.

Известны открытые резонаторы, размеры которых гораздо больше длины волны, а спектр их собственных частот разрежен по сравнению со спектрами замкнутых резонансных объемов тех же размеров. Новые свойства открытых резонаторов по сравнению с закрытым приобретает благодаря дифракционным явлениям в открытых областях резонансного объема.

Наиболее близким по технической сущности из известных устройств к предлагаемому является выбранный в качестве прототипа открытый резонатор поверхностной волны, содержащий резонансную замедляющую систему, периодически повторяющиеся ячейки которой выполнены в виде открытых в полупространстве канавок и выходное устройство. Стенки волновода, в котором размещена замедляющая система, являются отражателями поверхностной волны. Работа такого резонатора осуществляется в полосе пропускания замедляющей системы. При этом число резонансных колебаний в указанном диапазоне достаточно велико и может достигать числа ячеек замедляющей системы. В связи с этим рабочая полоса частот отдельного резонанса находится в обратной зависимости от числа ячеек замедляющей системы. Поэтому в целом такая конструкция ограничивает длину резонансной системы и, следовательно, рабочий объем открытого резонатора поверхностной волны.

Цель изобретения - увеличение рабочего объема открытого резонатора поверхностной волны при сохранении широкого частотного диапазона работы.

Поставленная цель достигается тем, что в открытом резонаторе поверхностной волны, содержащем резонансную замедляющую систему, периодически повторяющиеся ячейки которой выполнены в виде открытых в полупространство канавок, и выходное устройство, резонаторная система выполнена из повторяющихся групп ячеек, причем каждая группа состоит из нескольких канавок, по крайней мере одна из которых существенно, не менее чем на 30% по объему, отличается от остальных в группе, а концы резонаторной замедляющей системы нагружены на согласованные нагрузки.

Канавки в ячейках резонаторной замедляющей системы могут быть выполнены прямоугольной формы.

В открытом резонаторе поверхностной волны с канавками прямоугольной формы поперечного сечения число ячеек в группе может быть выбрано равным пяти, а одна канавка от остальных в группе отличается глубиной h¹, которая лежит в пределе 1,3h<h¹<2h, где h - глубина остальных канавок.

Длина l резонаторной замедляющей системы и ее ширина а могут лежать в пределах 3 λ <l<40 λ ; 0,5λ <a<λ , λ где - средняя по диапазону работы длина волны.

Выходное устройство открытого резонатора поверхностной волны может быть выполнено в виде прямоугольного рупора, обращенного своим раскрывом к резонаторной замедляющей системе, а противоположным концом переходящим в прямоугольный выходной волновод таким образом, что широкий размер раскрыва рупора плавно переходит в узкую стенку прямоугольного выходного волновода.

На фиг. 1 изображен предлагаемый резонатор; на фиг.2 - разрез А-А на фиг. 1, на фиг.3 - предлагаемый резонатор с выходным устройством в виде рупора; на фиг.4 - разрез Б-Б на фиг.3.

Резонатор содержит резонаторную замедляющую систему 1, состоящую из периодически повторяющихся ячеек 2, содержащих прямоугольные канавки 3 объединенных в повторяющиеся группы, в которых по крайней мере одна канавка 4 существенно, не менее чем на 30% по объему, отличается от остальных.

Выполнение резонаторной замедляющей системы таким образом обеспечивает условия для существования в такой колебательной системе резонансов. Указанное различие в объеме, по крайней мере одной канавки 4 в группе обеспечивает частотную зависимость дифракционных свойств поверхностной волны замедляющей системы на этой канавке. Эта зависимость является необходимым условием существования резонансных колебаний в предлагаемом резонаторе. Число этих колебаний не превышает числа ячеек в группе. Размещение на концах резонаторной системы согласованных нагрузок 5 исключает существование резонансных колебаний открытого резонатора поверхностной волны, связанных с отражениями от концов.

Конкретная величина различия между ячейками замедляющей системы в группе зависит от выбранной формы канавки и в общем случае может быть либо рассчитана, либо найдена экспериментально. Для канавок прямоугольной формы поперечного сечения это может быть обеспечено выбором ее глубины h¹ в пределах 1,3h<h¹<2h.

Практическая длина открытого резонатора поверхностной волны зависит от особенности электронного прибора, в котором применяется этот резонатор. Так, в миллиметровом диапазоне длин волн длина l резонаторной системы лежит в пределах 3 λ <l<40 λ . Если в длинноволновой части диапазона для эффективной работы прибора достаточно иметь длину резонатора около 3 λ , то в коротковолновой части диапазона, где толщина пространства взаимодействия падает, для сохранения рабочего объема необходимо значительно увеличить длину резонатора, которая в этом случае может достигать 40λ .

Ширину резонаторной замедляющей системы при практической реализации следует ограничивать для предотвращения условий возбуждения в резонаторе волн высшего вида, имеющих две или более вариаций поля по ширине замедляющей системы. Расчеты показывают, что колебания высших типов не попадают в основную полосу пропускания резонаторной замедляющей системы уже при а- λ в коротковолновой части диапазона и при а= λ /2 в длинноволновой части диапазона. Таким образом для практических систем ширина замедляющей системы должна лежать в пределах λ /2<a< λ .

Выходное устройство выполнено в виде плавного волноводного перехода 6, одним концом связанного через щель 7 связи с резонаторной системой 1, а другим концом переходящим в прямоугольный выходной волновод 8.

На фиг.3 показан вариант исполнения резонатора, в котором выходное устройство открытого резонатора поверхностной волны выполнено в виде рупора 9, обращенного своим раскрывом 10 к резонаторной замедляющей системе 1 так, что широкий размер раскрывом 10 плавно переходит в узкую стенку прямоугольного выходного волновода 8.

Благодаря тому, что резонаторная система 1 выполнена из повторяющихся групп ячеек в виде открытых в полупространство канавок 3, по крайней мере одна из которых существенно отличается от остальных в группе, часть энергии поверхностной волны, распространяющейся в открытом резонаторе, за счет дифракции излучается в пространство над системой. За счет этого ввод энергии из резонатора может быть осуществлен непосредственно в направлении, перпендикулярном плоскости системы. Это может быть реализовано с помощью рупора 9, обращенного своим раскрывом 10 к системе 1. В электронных приборах, как правило, электрическое поле направлено вдоль направления распространения волны, поэтому переход от рупора 9 к выходному прямоугольному волноводу 8 должен осуществляться таким образом, что широкий размер раскрыва рупора 9, соответствующий длине резонаторной замедляющей системе 1, плавно переходит в узкую стенку прямоугольного выходного волновода 8.

Возбуждается в резонаторной замедляющей системе 1 волна в каждой группе ячеек 2 испытывает дифракцию на канавке 4, отличной от остальных канавок 3. В связи с частотной зависимостью дифракционных свойств поверхностной волны на определенных частотах, лежащих в полосе пропускания резонаторной замедляющей системы 1, возникают условия резонанса. Число резонансных колебаний при этом не превышает числа различных канавок 4 в группе. В то же время благодаря тому, что концы резонаторной замедляющей системы 1 нагружены на согласованные нагрузки 5, в резонаторе не создаются условия для возбуждения резонансов, связанных с отражениями от концов. Таким образом, в предлагаемом резонаторе число резонансных колебаний не зависит от его длины, а определяется структурой одной группы ячеек и не превышает их числа в группе. Это позволяет увеличить рабочий объем резонатора при сохранении широкой полосы его работы.

Существование дифракционных потерь в открытом резонаторе поверхностной волны позволяет реализовать вывод энергии из резонатора не только через щель 7 связи в одной из канавок 3 или 4, плавный волноводный переход (см.фиг. 1) и выходной волновод 8, но и другими способами. Например, как показано на фиг. 3, вывод энергии может быть реализован через открытое пространство над резонаторной системой 1 с помощью рупора 9, обращенного к этой системе своим раскрывом 10 так, что благодаря выбранной ориентации в выходном прямоугольном волноводе 11 возбуждается основной рабочий тип волны Н10.

Таким образом, предлагаемый резонатор позволяет в несколько раз увеличить его рабочий объем при сохранении широкой полосы работы. Отличительные признаки предлагаемого резонатора позволяет увеличить его длину и тем самым обеспечить возможность работы соответствующих электронных приборов, в которых упомянутый резонатор используется в качестве колебательной системы. Особенно ценно это свойство в коротковолновой части миллиметрового диапазона, где в связи с малой толщиной пространства взаимодействия приходится увеличивать относительную длину прибора.

Использование: объемные резонаторы СВЧ и колебательные системы электронных приборов СВЧ. Цель изобретения - увеличение рабочего объема резонатора поверхностной волны при сохранении широкого частотного диапазона. Сущность: открытый резонатор поверхностной волны содержит периодическую замедляющую систему в виде плоской гребенки, имеющей прямоугольную форму поперечного сечения канавок, и выходное устройство. Периодическая замедляющая система выполнена из повторяющихся групп канавок, при этом одна из каждой группы имеет глубину h′ в пределах 1.3h<h′<2h , где h - глубина остальных канавок групп, ширина всех канавок одинакова, а концы периодической замедляющей системы нагружены на согласованную нагрузку, число канавок в группе равно пяти, длина l и ширина a периодической замедляющей системы находятся в пределах 3λ<l<4λ , 0.5λ<a<λ , где l - средняя по диапазону работы длина волны, а выходное устройство выполнено в виде прямоугольного рупора. 2 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. ОТКРЫТЫЙ РЕЗОНАТОР ПОВЕРХНОСТНОЙ ВОЛНЫ, содержащий периодическую замедляющую систему в виде плоской гребенки, имеющей прямоугольную форму поперечного сечения канавок, и выходное устройство, отличающийся тем, что, с целью увеличения рабочего объема резонатора при сохранении широкого частотного диапазона, периодическая замедляющая система выполнена из повторяющихся групп канавок, при этом одна из канавок каждой группы имеет глубину h' в пределах 1,3h < h' < 2h, где h - глубина остальных канавок групп, ширина всех канавок одинакова, а концы периодической замедляющей системы нагружены на согласованную нагрузку. 2. Резонатор по п.1, отличающийся тем, что число канавок в группе равно пяти, длина l и ширина a периодической замедляющей системы находятся в пределах 3λ<l<40λ , 0,5 λ < a < λ , где λ - средняя по диапазону работы длина волны. 3. Резонатор по пп.1 и 2, отличающийся тем, что выходное устройство выполнено в виде прямоугольного рупора, который обращен своим раскрывом к замедляющей системе, противоположный конец рупора переходит в прямоугольный выходной волновод, а широкая часть раскрыва рупора плавно переходит в узкую стенку прямоугольного выходного волновода.