Открытый резонатор Советский патент 1982 года по МПК H01J23/18 

Изобретение относится к технике СВЧ, а именно к открытым резонаторам (ОР} мм и субмм диапазонов, иможет найти применение в измеритель:ной технике, в радиолокации, в радиоспектроскопии и др.

Известны открытые резонаторы,

.состоящие из одного или более зеркал. Отражающая поверхность открытых резонаторов с одним зеркалом предс.тавляет- собой поверхность вращения: цилиндрические и бочкообразные резонаторы. Цилиндрические ОР представляют собой отрезок трубы кругового сечения, открытый с обоих концов. Бочкообразный резонатор образуется частью поверхности тора.

Общей особенностью описанных ОР

является их связь со свободным пространством и принцип формирования в | них собственных типов колебаний. Установившиеся колебания в ОР образуются в результате интерференции парциальных волн полубесконечного волновода, отражающихся от его отKE iforo конца. Когда длина .волны парциальной волны близка к критической

то коэффициент откр

ражения ее от открытого конца волновода близок к единице. Это условие

является достаточным для формирования собственного колебания ОР.

В зависимости от конфигурации зеркал и расстояния между ними в ОР

5 возбуждается одно из собственных колебаний TEMjnj где .- целвые числа. Добротность колебания в значительной степени зависит от связи ОР со свободным пространством, т. е. от

10 дифракционных потерь (ДП). ДП в свою очередь определяются величиной коэффициента отражения парциальных волн, участвующих в формировании данного колебания. При уменьшении апер15туры зеркал увеличиваются ДП для высших типов колебаний, а в случае приближения к концентрической геометрии ОР - и для основного типа колебаний 11,

Однако для обеспечения работы ОР

20 на высокодобротных типах колебаний необходимо существенным образом увеличивать апертуру зеркал, что приводит к сгушению спектра колебаний. В то же время в ряде практических при25менений необходимо при малых разме- . pax зеркал иметь высокую добротность колебаний и достаточно редкий спектр.

Общим недостатком всех перечисленных шлае открытых резонансных

30 систем является низкая добротность колебаний при тpeбye 1ыx на практике небольших размерах зеркал. Известны открытые резонаторы, содержащие по крайней мере два з.еркала. Собственные, колебания в таких резонаторах формируются в результате последовательного отражения парциальной плоской волны от открытых КОНЦОВ волновода, образованного зеркалами ОР.Если Л парциальной плоской волны близка к критической Л Л кр волновода, то ее коэффициент отражения близок к единице и связь колебания со свободньлм пространством мийимальна. Для создания ОР с высокой добротностью необходимо уменьшить ДП резонатора на данном колебании. Это достигается увеличением апертуры (а зеркал ОР. Чем больше а, тем для большего числа парциальных волн коэф фициент отражения от открытого конца стремится к единице, что приводит к уменьшению ДП высших типов колебания и, следовательно, к сгуще нию спектра ОР 2. В целом ряде случаев, например, в электронных генераторах ГДИ, в радиоспектрометрах мм диапазона, не обходимо создать ОР, которьтй наряду с высокой добротностью низших типов колебаний имел бы небольшие размеры зеркал., Такие требования определяются высокими значениями необходимых магни ных полей. Поэтому желательно умень шить зазоры между-полюсами магнита, внутренний размер полости, соленоида. В противном случае усложняет ся технология производства, а следо вательно, и стоимость магнитных сис тем. Применение объемных резонаторо в мм диапазоне невозможно в виду их низких селективных свойств. В силу перечисленных выше причин увеличение добротности ОР традицион ными методами, а именно путем увели чения апертуры зеркал, невозможно. К недостаткам известных резонато ров в мм диапазоне следует отнести следующее. Резкое увеличение, дифрак ционных потерь колебаний ОР при уменьшении апертуры зеркеш, а следовательно, уменьшение добротности, .колебаний. Так как дифракционные пЬтери колебаний увеличиваются при увеличении индекса колебания, то Невозможно создать резонатор с мало апертурой и высокой добротностью высших модрв, т. е. .невозможно упра лять спектром такого резонатора. Следовательно, для создания резо натора , удовлетворяющего требования практики, необходимо свести к миниму му влияния апертуры на добротность собственных колебаний ОР. В открытых резонаторЕ1х, отражающая поверхность котооых представля собой поверхность тела вращения, собственные колебания формируются в результате сильных отражений от концов. Причем с ростом индекса колебания m затухание увеличивается значительно медленнее, чем в случае двухзеркальных ОР. Спектр колебаний такого резонатора густой, а добротность невысока. Поэтому для создания цилиндрического ОР с высокими селективными свойствами необходимо разделить по потерям колебания с различными индексами. Следовательно, к недостаткам известного резонатора следует отнести низкую добротность колебаний, связанную с высокими дифракционными потерями, и густой спектр резонансных частот. Цель изобретения - увеличение добротности колебаний заданного участка спектра открытого резонатора за счет уменьшения из дифракционных потерь. Указанная цель достигается тем, что в открытом резонаторе, содержащем по крайней мере одно зеркало, на периферийной части по крайней мере одного из зеркал на расстоянии, равном радиусу пятна поля заданного Hf , to -ого колебания, нанесена периодическая структура. Причем параметры этой периодической структуры удовлетворяют соотношейию . -i.UI SIM ши t - период структуры; .Л - длина волны, р - угол падения парциальной плоской волны; Р - номер автоколлимирующей гармоникипри этом поверхность зеркала совпадает с эквивалентной отражающей поверхностью периодической структуры. На фиг. 1.показана конструкция предлагаемого открытого резонатора. состоящего из двух зеркал; на фиг. 2периодическая структура типа эшелетт; на фиг. 3 - конструкция предлагаемого цилиндрического резонатора. Открытый резонатор содержит два Зеркала 1 и 2, центры которых расположены на оси резонатора, а касательные к поверхности зеркал 1 и 2 в этих центрах параллельны друг другу. К зеркалу 2 подсоединен элемент 3 связи, представляющий собой прямоугольный волноводJ сужающийся по узкой стенке до размера 0,1 мм. Зеркала 1 и 2 могут быть сферическими, цилиндрическими и плоскими. На перифирийной части одного или обоих зеркал 1 и 2 на расстоянии,

равном радиусу пятна поля wi , и -ore колебания, нанесена периодическая структура 4, параметры которой удовлетворяют следующему соотношению

Р

..

,

где

-ь

е - период структуры; X - длина волны; Ч - угол падения парциальной плоской волны; Р - номер автоколлимирующей

гармоники,

рри этом поверхность зеркала 2 совпа дает с эквивалентной отражающей поверхностью периодической структуры 4

Эквивалентная отражающая поверхность находится на расстоянии Ь от верхнего края периодической структуры 4, причем V

wgqp

Х

о a%co6V H

где QrgQp - фаза отраженной волны, зависящая от параметров периодической структуры.

Периодическая структура 4 может быть выполнена в виде гребенки или |эшелетта. Для зеркал 1 и 2 круглой апертуры ламели периодической структуры 4 перпендикулярны радиусу зеркала 2. Периодическая структура 4 н ; несена в виде концентрических окруж1 ностей.

В случае прямоугольной апертуры :Ламели периодической структуры параллельны широкой стенке элемента

3связи. В многоэ.еркальных открытых резонаторах периодическая структура наносится аналогично описанному на ;одно или несколько зеркгш резонатоipa.

в другом варианте зеркало открытого резонатора представляет собой отрезок цилиндрической трубы 5, на ;концах которой нанесена периодичес|кая структура 4.

Параметры периодической структуры

4удовлетворяют соотношению

51иЧи,«

где

i-atf - период структуры; X - длина волны; «р - угол падения парциальной

плоской волны;

р - номер автоколлимирующей гармоники,

при этом отражающая поверхность эерка ла резонатора совпадает с эквивалентной отражающей поверхностью периодической структуры 4, а расстояние UQ определяется по той же формуле, что и .для двухзеркального резонатора .

Ламели периодической структуры 4 ориентированы перпендикулярно образующей цилиндра, а количество периодов структуры 4 не менее шести.

Принцип работы одинаков для всех предлагаемых типов резонаторов. раметры периодической структуры ПС удовлетворяют условию существования автоколлимационного режима, т. е. парциальная плоская волна, падающая под угломЧ на ПС, отражается обратно в сторону прихода. Поскольку собственное колебание ОР задано спектром углов Ynn то, выбирая параметры пег риодической структуры в соответствии с соотношением oe-.Ptein обеспечивается оптимальный коэффициент отражения периодической структуры именно для этого колебания. Тем самым уменьшаются ДП заданного колебания, .а следовательно, увеличивается его 25 добротность. Индексы колебаний И1 и и выбираются из условия обеспечения добротных колебаний на наружном участке спектра. Располагая периодическую структуру с параметрами, ад оптимальными для высших типов колебаний, можно существенным образом увеличить их добротность без снижения добротности низших типов. Или, i разместив периодическую структуру -, на Ь-Woo и рассчитав ее для углов падения foo можно существенным образом подавить низшие типы колебаний, увеличив при этом добротность основного. В полуконфокальном резонаторе в случае вырождения высших типов колебаний ПС его снижают. При 3j;pM можно управлять спектром и добротностью, колебаний ОР. . Расчет показывает, что при определённых условия, накладываемых на 5 ПС, отражение может быть полным.

Предлагаемый открытый резонатор по сравнению с известными обеспечивает повышениедобротности колебаний заданного участка спектра путем 0 уменьшения их ДП. Это достигается увеличением коэффициента отражения парциальных плоских волн, формирующих колебание, за- счет применения периодической структуры, работающей 5 в автоколлимационном режиме. Изменяя соответствующим образом пара 4етры периодической структуры и расстояние, можно управлять спектром ОР.

Изобретение может найти применение в тех областях техники, где

необходимы йысокодобротные резонаторы с заданными параметрами, например в генераторах дифракционного излучения для увеличения области эахва5 та дифракционного излучения, в твердотельных генераторах для улучшения условий отбора мощности полупроводни кового активного элемента, в спектро мм диапазона, где необходимы высокодобротные ОР с малыми апертура ми, а также при создании электродина мических систем большой протяженности для поляризованных ядерных мишеней. Формула изобретения Открытый резонатор, содержащий по крайней мере одно зеркало, о и ч а ю 1а и и с я тем, что, с цепью увеличения добротности колебаний заданного участка спектра, на периферийной части по крайней мере одного из на расстоянии, равном радиусу пятна поля заданного ь., -гр колебания, выполнена перио тм1дическая структура, параметр) которой удовлетворяют соотнсшению . Р 5i fw, С - период структуры; Д. - длина волны; Ф - угол падения парциёшьной волны р - автоколлимирующей гармоники, при этом поверхность зеркала совпадает с эквивалентной отражающей поверхностью периодической структуры. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Шестопалов В.П. Дифракционная электроника. .Харьков, Вища школа, 1976, с. 94. 2.Вайнштейн Л.А. Открытые pesoнаторы и открытые волноволЫу М., Сов. радио, 1966, с. 473 (прототип).

/

/