Открытый резонатор Советский патент 1991 года по МПК H01J23/18 

тив друга, одно из которых вогнутое, и устройство связи с внешним волново дом. На другом зеркале выполнена дифракционная структура,вдоль которой движутся электроны и взаимодействуют с замедленной волной. Здесь использу ется принцип длительного взаимодействия электронов с электромагнитным полем. Этот принцип широко используется при построении ламп с бегущей волной или ламп с обратной волной. Наряду с принципом длительного вз имодействИя в электронике широко используется также принцип кратковреме ного взаимодействия электронов с электромагнитным полем. На этом прин ципе построены различные типы клистр нов и ряд других приборов. Открытые резонаторы, которые используются в гиротронах и оротронах, а также другие известные открытые резонаторы не дают возможности осутце |ствить кратковременное (т.е. малое по сравнению с периодом колебаний) взаимодействие электронов с электромагнитным полем резонатора, так как все размеры в этих резонаторах велики по сравнению с длиной волны, и при практически приемлемых величинах напряжений (меньше ста киловольт) электроны будут преодолевать такое расстояние за несколько периодов колебаний, что не эффективно для прибо ров с кратковременным взаимодействием. Целью изобретения является создание такой конструкции открытого резо натора в миллиметровом и субмиллимет ровом диапазонах длин волн, которая обеспечивала бы возможность кратковременного взаимодействия электронов с высокочастотным полем резонатора при обычно используемых напряжениях и при этом обеспечивала бы высокую добротность, простоту настройки и большие габариты резонатора по сравн нию с длиной волны. Указанная цель достигается тем, что в открытом резонаторе, содержащем два зеркала, расположенных на од ной оси друг против друга, одно из которых выполнено в виде вогнутой поверхности, и устройство связи с внешним волноводом, другое зеркало выполнено в виде рупора с присоединенным к нему короткозамкнутым отрез ком волновода, в противоположных сте как которого выполнены отверстия для пропускания электронов, при этом центр радиуса кривизны первого вогнутого зеркала размещен внутри рупора на общей оси зеркал. Оптимальный диаметр рупора D. определяется выражением ,, де длина волны; 0 - угол раскрыва рупора, равный углу между осью рупора и касательной к образуницей . (рупора) в точке пересечения ее с линией раскрыва рупора. Первое вогнутое зеркало может иметь два различных главных радиуса кривизны. В предложенной конструкции резонатора имеется область внутри волновода (например, перпендикулярно широкой стенке широкого волновода, работающего на основной волне), которую электроны при обычных напряжениях, используеьв)1х в электронных приборах, могут пролететь за время значительно меньшее периода высокочастотных колебаний. Это необходимо для эффективной работы электронного прибора клистронногр типа, а также некоторых других приборов. Отверстие дпя связи резонатора с внешним волноводом может располагаться в центре сферического зеркала. На фиг. ЫЗ даны варианты конструкций предложенного резонатора. Резонатор содержит сферическое зеркало 1, рупор 2, отрезок 3 одномодового волновода, отверстия 4 в стенках волновода для прохода электронов, короткозанкнутую стенку 5, электронный поток б, силовые линии 7 электрического поля резонатора, отверстие 8 связи в сферическом зеркале , внешний волновод 9. Электромагнитные колебания основного вида в предлагаемом открытом резонаторе формируются следуюп им образом. Электромагнитная волна возбулщения, например, электронным потоком, проходящим через отверстия 4 (которые запредельны дпя возбуждаемых колебаний) , имеет возможность распространяться в сторону рупора. В рупоре 2 волноводная волна плавно преобразуется в сферическую расходящуюся волну, которая излучается из рупора и движется в открытом пространстве в сторону зеркала 1. Отразившись от вогнутого сферического зеркала, эта волна превращается в сходящуюся волну, которая движется в сторону piynopa 2, входит в него -и движется в сторону волновода. Дойдяпо волноводу до закоротки, отражается от нее и весь про цесс повторяется. В результате интерференции волн, движущихся в разных направлениях, в системе устанавхшвается стоячая волна. Описанный процесс возникает лишь при определенных соотношениях rg метрических размеров рупора и сферического зеркала. Используя теорию открытых резонаторов можно оценить ,эти размеры. Так как в резонаторе устанавливается стоячая волна, то можно предполо жить, что в рупоре узел стоячей волны электрического поля волны, исходящей из горловины Og рупора (фиг. 3), находится на сферической поверхности SP в раскрыве рупора. Расположив на этой ; поверхности металлический экран мы не изменим граничных условий и от системы рупор-сферическое зеркало перейдем к эквивалентной системе выпуклое сферическое зеркало - вогнутое сферическое зеркало. Радиусы кривизны этих зеркал - R и R, расстояние между зеркалами - d. Из теории открытых резонаторов известно, что в системе выпукло-вогнутых сферических зеркал возможно возникновение устойчивых ксшебаний с каустиками (т.е. без излучения электромагнитной энергии за пределы прост ранства между зеркалами) в том случае, если выполняются соотношения Для предложенной системы вогнутое сфе рическое зеркало-рупор это правило образований устойчивых колебаний можно сформулировать так: колебания в системе вогнутое сферическое зеркалорупор будут устойчивь1ми, т.е. локализованными между зеркалами, в том случае, если центр радиуса кривизны сферического зеркала (точка О, ) расположен на оси внутри рупора в промежутке между горловиной, являющейся центром радиуса кривизны фронта волны в руцоре, (точка 02) и раскрывом рупора (точка 04). Из теории открытых резонаторов следует, что резонансная длина волны предложенного резонатора f(, приближенно .определяется по формуле p-(d-bR,.p), о где п - целое число; - длина волны в волноводе. Меняя расстояние между зеркалом и рупором d, можно произвести перестройку резонансной длины волны резонатора. Из соотношения (1) следует, что перестройка резонанса возможна только при таких перемещениях зеркала относительно рупора, при которых центр кривизны зеркала не выходит за пределы рупора. Для того, чтобы волна, отраженная от сферического зеркала, полностью вошла в рупор и дифракционные потери были малы, диаметр рупора Up и зеркала D должны быть связаны соотношениемDp Dj Ad-Tlp, (3) которое вытекает из общей теории открытых резонаторов. Оптимальное значение диаметра рупора Dp можно оценить из услойия оптимального распределения фазы поля по поверхности раскрыва рупора. Это условие приводит .к следующему значению Dp 1,, где 0 - угол раскрыва рупора, равный углу между осью рупора и касательной к образующей (рупора) в точке пересечения ее с линией раскрыва рупора.. Добротность Q предложенного типа резонатора можно оценить по формуле l(d+Ri+ l Д о суммарные относительные потери энергии за один проход волны, которые складываются из дифракционных потерь и джоулевых потерь в стенках волновода, рупора и сферического зеркала. Рассмотренный на фиг.1,2 открытый резонатор представляет собой аксиально-симметричную систему, в которой главные радиусы кривизны взаш-шо перпендикулярных дуг EF и GH одинаковы. Принцип работы резонатора сохранится и в том случае, если радиусы кривизны главных дуг будут . различны.

11,1 фиг. 4 показан открытый резонапр, у которого радиусы кривизны главных дуг зеркала LK и MN различны. PyiKjp в .этом случае становится пираьшдальным. Конфигурация рупора при этом должна выбираться так, чтобы соотношение (1) выполнялось для каждо го главного радиуса кривизны зеркала и для каждого соответствующего главного радиуса кривизны фронта волны в раскрыве рупора.

На фиг 5 показан предельный случай, когда радиус кривизны горизонтальной дуги CD равен бесконечности, а вертикальной дуги АВ - конечен. В .этом случае зеркало становится цилиндрическим, а рупор секторным. Резонаторы, показанные на фиг. 3, позволяют увеличить размер пространства вза 1модействия электронов с высокочастотным полем резонатора.

Длина рупора, т.е. расстояние (фиг. 3), определяется необходимым диапазоном перестройки резонатора, требуемым согласованием перехода рупор-волновод, необходимой чистотой типа волны, распространяющейся в рупоре, величиной допустимых потерь в стенках рупора и рядом факторов, которые необходимо учитывать в каждом конкретном случае. В соответствии со сказанным в общем случае закон изменения поперечного сечения рупора по длине оси может быть самым различным. Для примера приведем несколько законов. Наиболее простым и технологичным является линейный закон, т.е. простой конический рупор (фиг. 6). В том случае, когда необходимо иметь малую длину рупора при сохранении хорошего согласования более целесообразно использовать экспоненциальный, бипоминальный или чебьшевский (фиг. 7) закон измерения поперечного сечения рупора.

Форма поперечного сечения волновода, подсоединяемого к рупору, также может быть различной: прямоугольной, круглой, овальной, П или Н-образной и др. в зависимости от требований, предъявляемых к пространству взаимодействия (фиг. 8, 9). В противоположных стенках волновода могут быть выполнены отверстия для прохода электронов. Для улучшения взаимодействия электронов с высокочастотным полем в отверстия могут быть введены отрезки труб (фиг. 10). Одна пара

или несколько пар отверстий в противоположных стенках волновода (фиг.11) для пропуска электронов должны быть расположены так, чтобы обеспечить наиболее эффективное взаимодействие электронного потока с полем резонатора. Диаметр отверстий.D должен быть таков, чтобы предотвратить через них заметную утечку электромагнитной энер гик из резонатора. Дпя этого, в частности, необходимо, чтобы DO 0,5А

Например, в случае прямоугольного волновода отверстия располагаются в центре широкой стенки волновода ни расстоянии Sm от закоротки, приближенно равным (2m+1)j/4, где ,1, ...

В короткозамыкакндей торцевой стенке волновода также, как в сферическом зеркале, можно расположить отверстие связи, через которое резонатор может быть связан с волноводом (фиг. 12). Если вместо закоротки в волноводе расположить подвижный короткозамыкающий поршень, то, изменяя длину отрезка волновода t, можно перестраивать резонансную длину волны резонатора (фиг. 13)..

Предложенные резонаторы, которые можно назвать фркусирукмще открытые резонаторы (фор-ы),смогут найти широкое применение в приборах клистронного типа, используемых в радиолокации, радиосвязи, физике, биологии, медицине, в радиоспектроскопии при исследовании свойств различных веществ в электромагнитном поле миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов рлин волн.

Лабораторные испытания макета фокусирующего открытого резонатора показали, что его нагруженная добротность в 3 мм диапазоне длин волн составляет ,5,10, т.е. почти в 10 раз больше чем у обычных замкнутых резонаторов в этом диапазо 1е длин волн. Высокая добротность резонатора позволяет улучшить взаимодействие электронного потока с электромагнитным полем резонатора, поднять контурный КПД и КПД прибора, увеличить стабильность частоты клистронных генераторов миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн. Резонатор прост в изготовлении и не имеет побочных резонансных колебаний.

1. ОТКРЫТЫЙ РЕЗОНАТОР для ,электронного СВЧ-прибора, содержащий два зеркала, расположенных на одной .оси друг против друга, одно из которых вогнутое, и устройство связи с внешним волноводом, отличающийся тем, что, с целью обеспечения эффективного кратковременного ;- взаимодействия электронов с высокочастотным полем резонатора, второе . зеркало выполнено в виде рупора с подсоединенным к нему короткозамкнутым Изобретение относится к электронной технике, в частности к открытьм резонаторам для электронных СВЧ приборов. Известны открытые резонаторы, состоящие из двух зеркал. В миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин вЪлн они имеют размеры значительно больше длины волны, изготовление их сравнительно несложно, они легко перестраиваются, а главное имеют высокую добротность. отрезком волновода, в противоположных стенках которого выполнены отверстия для пропускания электронов, при этом центр радиуса кривизны первого вогнутого зеркала размещен внутри рупора на общей оси зеркал. 2.Резонатор по п. 1, отличающийся тем, что размеры рупора выбраны в соответствии со следующими соотношениями: Ц,,, где Dp - диаметр раскрыва рупора; 9 - угол раскрыва рупора, равный углу между осью рупора и касательной к образующей (ру пора) в точке пересечения (Л ее с линией раскрыва рупора; Лр - рабочая длина волны. 3.Резонатор по п. 1, отличающийся тем, что первое вогнутое зеркало имеет два различных главных радиуса кривизны. CD 00 ю 4 со Которая не падает, а увеличивается с укорочением длины волны. Именно благодаря этим качествам открытые резонаторы находят широкое применение в радиоэлектронике и в квантовой радиофизике. Открытые резонаторы используются и в электровакуумных приборах. Наиболее близким техническим решением является, открытый резонатор для оротрона, содержащий два зеркала, расположенных по одной оси друг про

.

/7 7777777

dt

///////A

Фиг, б

Ог

ЬидАА