Открытый резонатор Советский патент 1993 года по МПК H01P7/10 

Изобретение относится к технике СВЧ, а именно к резонансным устройствам, и может найти применение в системах связи, радиолокации, устройствах неразрушающего контроля материалов, а также в других областях, где используются средства передачи, приема и обработки информации в миллиметровом и субмиллиметровом (мм и субмм) диапазонах длин волн.

Целью настоящего изобретения является обеспечение пространственного разделения двух соседних по частоте рабочих видов колебаний.

Поставленная цель достигается тем, что в известный открытый резонатор, содержащий отрезок диэлектрического волновода, размещенный между двумя металлическими зеркалами, снабженный по крайней мере одним элементом связи, введен второй идентичный отрезок диэлектрического волновода, при этом первый и второй отрезки диэлектрического волновода выполнены пла- нарно и установлены один над другим под углом р , причем их продольные оси лежат в одной плоскости, а толщина d отрезков диэлектрического волновода и расстояние dc между ними в середине между металлическими зеркалами выбраны из условмй

00

о М

ел

00

00

d Ap/2V

(1)

-Kin

. i л r-f-h ЫА ьа .... : У,-

Or - МГТПлz ---r i- J о ...- ..,тг .r iznriz.-. VKzi. - Кот2 г 1Гк;Г т2 кТп . tg( - KЈ d) +

rrrVKln -кГ

r-T-fJT-5,.

-Kin

ьа .... : У,-

...- ..,тг .r iznriz.-. . tg( - KЈ d) +

rrrVKln -кГ.

r-T-fJT-5,. W

Изобретение относится к технике СВЧ и может быть использовано в качестве частотно-избирательных цепей тракта. Цель изобретения - обеспечение пространственного разделения двух близких по частоте рабочих видов колебаний. Открытый резонатор содержит отрезок диэлектрического волновода,- размещенный между двумя металлическими зеркалами (МЗ), снабженными по крайней мере, одним элементом связи. Между металлическими зеркалами введен второй идентичный отрезок диэлектрического волновода и дополнительные элементы связи, размещенные на МЗ. Первый и второй ОДВ выполнены плоскими и установлены под угло.м р один над другим, а их оси лежат в одной плоскости. Толщина d этих ОДВ и расстояние dc между ними в середине между МЗ выбраны из условий, связывающих параметры геометрии (d, dc, p) и параметры диэлектрических материалов со средней длиной волны и резонансными частотами двух близких по частоте рабочих видов колебаний. Благодаря введению второго ОДВ и его размещению, а также выполнению,ограничительных условий достигается нерегулярность связи ОДВ, благодаря чему обеспечивается пространственное разделение двух близких по резонансным частотам рабочих видов колебаний и возможность раздельной регулировки их внешних связей на МЗ. 1 ил. (Л

y 2arctg

(3)

2л:

где Ар 2c/(f 1 + f2) , Ко Ј ,Kzn

2ллЈ

с - скорость света в вакууме, Ар - средняя резонансная длина волны рабочих видов колебаний с частотами fi и fa, L- длина отрезков диэлектрического волновода, m и

показатель преломления и диэлектрическая проницаемость их материала соответственно.

По анализу патентной и научно-технической литературы авторам неизвестны работы, в которых описывается или используется открытый резонатор с двумя идентичными пла- нарными отрезками диэлектрического волновода, установленными под углом друг к. другу между металлическими зеркалами, который обеспечивает пространственное разделение двух соседних по частоте рабочих видов колебаний. Неизвестны также теоретические и экспериментальные работы по пространственно-частотному расщеплению полей в таком резонаторе.

Положительный эффект в предлагаемом изобретении достигается за счет того, что при выбранных размерах отрезков волновода и их взаимного положения согласно выражений (1) - (3) в такой системе происходит взаимодействие четных и нечетных ее колебаний с разными продольными индексами п и п-1, которые вырождены по частоте при (р 0. Условие (1) определяет одномодовость

dc -

УКтп -К

г-Arth

- Kg tg(Vm2K d) - m2VK|n - KJ5 - KЈ tg( - к|п d) + Vm2K +

(р 2arctg

2л

2лУе

где Ар 2c/(f i + fa) , Ко -г ,Кгп

л.р- -,

с - скорость света в вакууме, Ар - средняя резонансная длина волны рабочих видов колебаний с частотами fi и fa, L- длина отрезков диэлектрического волновода 1 и 2,

m и к - показатель преломления и диэлектрическая проницаемость их материала соответственно.

отрезков в диэлектрическом волноводе в поперечном сечении, что в совокупности с другими признаками работает на достижение положительного эффекта. Выражение для

Q dc (2), Ар, Ко, KZn определяют точки совпадения частот n-го четного и (п-1)-го нечетного колебаний предлагаемого резонатора. Введение угла (р между отрезками волноводов приводит к их резонансной перестройке.

5 Образуются два рабочих вида колебаний с близкими частотами fi и fa, поле которых не . связаны и пространственно разделены на металлических зеркалах, что невозможно в прототипе. Это обнаружено авторами впервые. Предел изменения (f согласно (3) соответствует крайнему положению наклона одного отрезка волновода к другому, т.е. это условие следует из самой конструкции резонатора. Изменение угла р согласно (3) регулирует разнос между fi и fa.

На чертеже схематическое изображение предлагаемого резонатора.

Предлагаемый открытый резонатор содержит первый 1 и второй 2 идентичные отрезки планарного диэлектрического волновода, металлические зеркала 3 и 4. Отрезки диэлектрического волновода 1 и 2 установлены один над другим под углом (р, причем их продольные оси 5 и 6 лежат в одной плоскости. Толщина d отрезков диэлектрического волновода 1 и 2 и расстояние dc между ними в середине между металлическими зеркалами выбраны из условий:

0

5

0

5

40

d An/2V

0

5

Элемент связи, например, в виде прямоугольного отверстия 7 выполнен симметрично относительно оси симметрии 8 системы при (р 0. Элементы связи, например, в виде прямоугольных отверстий связи 9 и 10.выполнены в зеркале 4 симметрично осям 5 и 6 отрезков волновода 1 и 2.

Предлагаемый открытый резонатор работает следующим образом. В него через отверстие связи 7 подается высокочастотный сигнал, включающий соседние частоты fi и fa. При выбранных толщине d отрезков диэлектрического волновода 1 и 2, расстоянии dc между ними в середине между оркалами 3 и 4 и угле у, под которым установлены отрезки 1 и 2, в нем возбуждаются колебания с частотами fi и Лг. Эти колебания являются результатом взаимодействия двух вырожденных при р 0 колебаний на частоте

fp -Ј (fi + f2)/2: четного и нечетного

С

колебаний системы двух отрезков волновода 1 и 2 и имеющих разные продольные индексы п и (п-1), где п - число полуволн в системе вдоль L, Каждое из колебаний с частотами fi и fa можно представить как пространственное биение волн, образующих вырожденное колебание. Биения проявляются в периодической перекачке энергии поля вдоль L из одного отрезка волновода, например, 1 во второй и обратно. Экспериментально установлено, что мощности, соответствующие частотам fi и fa, ..перекачиваются в противофазе. В результате на каждом из зер- кал 3 и 4 поля колебаний частот f 1 и h локализуются над торцами различных отрезков волновода 1 и 2, т.е. обеспечивается пространственное разделение двух соседних по частоте рабочих видов колебаний. При этом пятна их полей на зеркалах 3 и 4 частично перекрываются в области продольной оси системы 8 таким образом, что они могут одновременно возбуждаться, например, через отверстие связи 7 (фиг. 1), и выводиться раз- дельно по двум частотным каналам f 1 и fa посредством, например, отверстий связи 9 и 10. В качестве элементов связи могут быть использованы полупрозрачные зеркала, зеркала в виде металлических решёток.

и соответствующее условие (2) для определения dc. Влияние неоднородности в структуре приводит к снятию этого вырождения, Покажем это, используя интегральное уравнение, получаемое из системы уравнений Максвелла

( (х) + Н+п%У

w/AЈf nfdV(2n)

Здесь &Ј - неоднородность в структуре,

ft)

-,, , г-т- ...- -rf-..Jr,-,

и Е, м - частота и напряженность полей

Изобретение иллюстрируется следую щим примером.

В связи с тем, что физико-технические основы предлагаемого резочзтора основа ны на эффектах, обнаруженных впервые теоретически и экспериментально авторами предлагаемого технического решения и сведений о которых нет в отечественной и зарубежной литературе, описание исследований совместим с примером реализации предлагаемого устройства.

Решая систему уравнений Максвелла и удовлетворяя условиям непрерывности полей на границах раздела различных сред структуры, получаем дисперсионное уравнение, определяющее собственные частоты Е колебаний (Ех, Еу, Ну компоненты полей отличны от нуля):

ЈдКь - Kg tg(Kgd)- ед Кь тс вдКь tg x

x(Kgd), (1П)

где тс - th (Kbdc/2) - для чётных колебаний

тс с th (Кь dc/2) - для нечётных колебаний

Kg и Кь - поперечные компоненты волновых векторов соответственно в диэлектрике и в вакууме.

Из этого уравнения легко получить выражение для случаев вырождения по частоте чётных и нечётных колебаний с разными продольными индексами п и (п-1):

при наличии неоднородности, Шп и Еп, Нп - частота и поля одного из собственных колебаний структуры в отсутствии неоднородности. Поля Е и н представим в виде суперпозиции этих колебаний:

«Дь Е 1, «И (Зп)

При малой неоднородности основными в (2п) являются слагаемые, описывающие взаимодействие вырожденных чётных и нечётных колебаний со смежными продольными индексами п и (п-1), приводящее к расщеппению их на два копебания с малой разницей по частоте

Aft) ± ± , п 4- s Лп -Ь s,

.2(4n)

rAeAnp T&:F-nEdV/Np

(x)| Enl2dV T mn 2dV-норма колебания. При неоднородности структуры за счёт угла наклона р между отрезками волноводов Де е- 1 и интегрирование ведётся по пространству отклонения отрезков от их параллельности.В результате можно получить,связь между ЛУИ

«±WnF(K8,K9,e,d)-4L2(A/)2.

Экспериментальные исследования проведены в 8 мм диапазоне длин волн. Использовались отрезки диэлектрического волновода длиной L 12 см и толщиной d 7,0 мм из фторопласта - 4, которые устанавливались между металлическими зеркалами с отверстиями связи 7,0 х 0,1 мм2. При dc 0,7 мм наблюдалось взаимодействие между чётным колебанием системы с продольным индексом п 37 и нечётным с h 36. При размещении отверстия связи на первом зеркале по центру высоты системы и включении резонатора на отражение наблюдались резонансы с ,220 ГГц и ,030 ГГц. Af регулировалось незначительным изменением угла наклона (р 1°. Исследованиями структуры полей колебаний методом пробного зонда обнаружено, что энергия i поля с f i локализуется на одном зеркале под торцом первого отрезка волновода и постепенно вдоль L переходит во второй и обратно. А энергия поля с f a - наоборот,

- При включении резонатора на проход таким образом, что на втором зеркале одно отверстие связи расположено в области торца первого отрезка волновода, а другое - второго, сигналы с частотами fi и fa разделяются по двум отдельным частотным каналам, тракты которых подключены к соответствующим отверстиям связи.

Таким образом, экспериментальные исследования подтверждают положительный эффект, который получен на основе неизвестного ранее явления пространственно частотного расщепления колебаний. Параметры изготовленного резонатора соответствуют соотношениям (1) - (3).

Рассмотрим преимущества предлагаемого резонатора по сравнению с прототипом. При выбранных параметрах он может поддерживать электромагнитные колебания мм и субмм диапазонов как на одной или нескольких резонансных так и на двух близких частотах, Локализация полей колебаний с близкими частотами происходит в

различных местах на зеркалах. Это обеспечивает пространственное разделение двух соседних по частоте рабочих видов колебаний, что невозможно в прототипе. Предлагаемый резонатор позволяет осуществить

пространственно раздельную связь с каждым из соседних по частоте колебаний. Это расширяет его функциональные возможности по сравнению с прототипом: из него можно извлекать (вводить) отфильтрованные

сигналы двух каналов с близкими частотами, т.е. использовать как частотно-разделительный/объединительный фильтр. Он может обеспечить генерацию на двух близких частотах с раздельным выводом сигналов (двухчастотный генератор с возможностью стабилизации частоты), смешение частот сигнала и гетеродина (смеситель) и т.д., что непосредственно прототипом выполнено быть не может. Предлагаемый резонатор обеспечивает положительный эффект в мм и субмм диапазонах, где известные кубические и сложной формы диэлектрические резонаторы теряют свои функциональные свойства,

Формула изобретения

Открытый резонатор, содержащий отрезок диэлектрического волновода, размещенный между двумя металлическими зеркалами, снабженными по крайней мере

одним элементом связи, отличающий- с я тем, что, с целью обеспечения пространственного разделения двух соседних по частоте рабочих видов колебаний, введен второй идентичный отрезок диэлектрического волновода, первый и второй диэлектрические волноводы выполнены пленарными и установлены один над другим под углом (р, причем их продольные оси лежат в одной плоскости, а толщина d отрезков диэлектрического волновода и расстояние dc между ними в середине между металлическими зеркалами выбраны из условий

Ap/2vST

dc (1/VK2n -Ко) Arth {f/m2Ko tgCvrr d) - m VRln - Kn) / tg() +

+ vrT KT+l&r };

p$ 2 arctg (dc/L),

где Ap 2c/(fi +fz);

К- Отг/3 о fcfc t/Ар;

Kzn 2лл/Г/Др; с - скорость света в вакууме. Др - средняя резонансная длина волны рабочих видов колебаний;

L -- длина отрезков диэлектрического волновода:

m и Е - показатель преломления и эффективная диэлектрическая проницаемость их материала соответственно.