Автоматизированные исследования открытых электродинамических систем миллиметрового диапазона, страница 2

Миллиметровые и субмиллиметровые волны” (Москва, 1995); 6-й Всероссийскойшколе-семинаре “Волновые явления в неоднородных средах” (Москва, 1996);4-й Международной конференции "ILLA-98" (Шатура, 1998); 9-й Международной конференции по лазерной оптике (С.Петербург, 1998); 3-м Международном симпозиуме "Physics and engineering of millimeter and submillimeter5waves" (Харьков, 1998); 3-й Международной конференции "Antenna: Theoryand Techniques" (Севастополь, 1999); Международной крымской микроволновой конференции ”СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии” (Севастополь, 2000 – 2005).ПубликацииПо материалам диссертации опубликовано 7 статей, 15 работ опубликовано в материалах конференций и 7 тезисов докладов. Список основных работ приведен в конце автореферата.Структура и объем работыДиссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитированной литературы (132 наименования).

Работа изложена на 149 страницахи включает 41 рисунок и 3 таблицы.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обосновывается актуальность выбранной темы, формулируется цель диссертационной работы, обсуждается новизна и практическаязначимость полученных результатов, излагаются основные положения, выносимые на защиту.В первой главе дается аналитический обзор литературы, рассмотреныи обобщены данные о наиболее простых базовых электродинамических системах – открытом резонаторе (ОР) и диэлектрическом волноводе (ДВ), а также более сложных структурах на их основе. Обсуждаются модели, описывающие ОР с диэлектрическими включениями, а также многорезонаторныесистемы различного вида и назначения.

Специально анализируется состояниеработ по автоматизации электродинамических измерений и формулируютсятребования к современной автоматизированной установке для изучениясвойств открытых квазиоптических систем. В последнем параграфе показанаактуальность использования диэлектрических, металлических и комбинированных структур в радиоэлектронных устройствах. Рассмотрены практические применения таких систем.6Вторая глава содержит описание автоматизированной экспериментальной установки и методик исследования электродинамических систем вмиллиметровом диапазоне длин волн.

Структурно (Рис.1 ) установка состоитиз генератора СВЧ–излучения с длиной волны 6÷8 (4÷6) мм, волноводноготракта, исследуемой резонансной системы, детектора (Д), усилителя детектированного сигнала и осциллографа (ОС). Для автоматизации эксперимента вустановку были добавлены дополнительные устройства: контроллеры, схемыуправления генератором (ЦАП) и шаговыми двигателями, шаговые двигатели(ШД1,ШД2), АЦП и управляющая ЭВМ.

Объект исследования может представлять собой двухзеркальный открытый резонатор с металлическими зеркалами произвольной формы, систему дифракционно связанных резонаторов,Исследуемаяподобные структуры с дисистемаУОСэлектрическими образцамиСГИвнутри или собственно диЕЛНэлектрические образцы разИЕДТличной конфигурации.РЕАВ параграфах данной главыЛТЬприведены схемы нестанОШД 1ЦАПРдартных узлов, используемых для автоматизации усАЦПШД 2тановки.ПредставленыметодикиКОНТРОЛЛЕР 1КОНТРОЛЛЕР 2 исследования электродинамических систем. Автоматизированная установка позвоПЭВМляет в результате управлениячастотой генератора полуРис. 1 Схема экспериментальной установки.

чать зависимость коэффициента передачи сигнала черезсистему от частоты в диапазоне частот 53÷75 ГГц. При помощи шаговогодвигателя можно измерять зависимость коэффициента передачи от расстояния между зеркалами структуры. Сочетание двух методик позволяет фиксировать одновременно зависимость коэффициента передачи как от частоты,7так и от геометрических параметров структуры. Для систем открытого типаимеется простая возможность измерять распределение поля возбуждающегося типа колебаний при помощи пробного тела. Анализ спектра дает возможность для любой резонансной кривой рассчитывать величину добротности поформуле Q=f/Δf (где f - резонансная частота возбуждения исследуемого типаколебания, Δf – ширина резонансной кривой на половине ее амплитуды).В параграфе, посвященном ошибкам измерений, основное внимание уделено погрешности при вычислении добротности для различных методик измерения.

Так в рабочем диапазоне частот относительная ошибка в определении величины добротности составляет 1÷2% при значении добротности 103,но для 104 может достигать 20%.В последнем параграфе приведены сведения о быстродействии процедур конкретных измерений автоматизированной установки, сведенные в таблицу (Табл.

1).РабочийшагКоличествоточекВремя1) Снятие частотногоспектра (один поддиапазон)10 МГц20045 сек2) Снятие частотногоспектра (все 11 поддиапазонов)10 МГц220010 мин3) Снятие пространственного спектра (надлину 4мм)40 мкм1001 мин 40 сек4) Снятие картиныраспределения поля660 мкм1001 мин 40 секВид измерений5) Снятие трехмерногоспектра –по частоте одинподдиапазон:на длину 10мм:10 МГц20020000100 мкм1 ч 16 мин100Табл. 1 Временные интервалы для типичных режимов работы автоматизированной установки.8Третья глава посвящена изложению полученных экспериментальныхрезультатов, их обсуждению и предварительным выводам.

Представленыграфики, иллюстрирующие экспериментальные характеристики открытыхсистем различной геометрии.ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ, СОСТОЯЩИЕИЗ ОР И ДИЭЛЕКТРИКАИсследован ряд систем, основными элементами которых являлись ОР идиэлектрический цилиндр. Диэлектрик был изготовлен из тефлона и имелtgδ=2.05 в исследуемом диапазоне. Вначале была рассмотрена наиболее простая система, состоящая из диэлектрического цилиндра и сферического зеркала. Анализ спектральных характеристик показал, что данная система сочетает в себе как свойства волновода, так и резонатора.

При этом полученныераспределения полей в зазоре диэлектрик-зеркало дают качественную картину преобразования колебаний в системе. Введение второго зеркала в систему(Рис. 2 ) позволило значительно увеличить резонансной объем всей системы,что привело к расширению свойств характерных в большей степени для ОР. Так, по мереLlраздвижения зеркал на расстояние, необходимое для преобразования колебаний в системе,dвеличина добротности меняется от Q=300-500до Q=900-1500. Исходя из форм распределенияРис. 2 ОР с диэлектри- поля исследованных типов колебаний, а такжерассчитанных длин волн можно сделать вывод,ческим стержнемчто колебания в системе ОР с диэлектрическимстержнем носят гибридный, промежуточный характер вследствие преобразования колебаний в зазоре диэлектрик – ОР.Пример изучения этой достаточно простой системы показал эффективность применения открытого резонатора в качестве инструмента экспериментального исследования.

При этом был получен ряд тестовых спектров ираспределений поля возбуждающихся типов колебаний, которые в дальнейшем были использованы для сравнительного анализа с характеристиками более сложных систем.9АКСИАЛЬНО-СИММЕТРИЧНЫЕ ПЕРИОДИЧЕСКИЕДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СТРУКТУРЫИзучив условия взаиbмодействия гладких диdэлектрических стержнейDв системе с ОР, можногеометриюРис. 3 Диэлектрический стержень с периодической усложнитьдиэлектрика, рассмотревструктуройbDdcцилиндр с крупноразмерной периодическойструктуройприb≥λ.(Рис.

3). Анализ спекРис. 4 Диэлектрический стержень с периодической тров показал, что появструктурой и продольным сквозным отверстиемление цилиндрическихсекций на диэлектрике:во-первых, сделало частотный спектр болеередким,во-вторых,практически на порядокуменьшило амплитудувозбуждающихся в системе типов колебаний.При этом добротностьколебаний в системе сОР составила величинуРис. 5 Трехмерное изображение участка спектра Q=250-600. Далее в ОРполой периодической диэлектрической структурыбыла исследована полаяв ОРструктура (Рис.

4). Длянее получен комбинированный спектр – зависимость коэффициента передачиот частоты при последовательном увеличении расстояния L от диэлектрикадо приемного зеркала ОР (Рис. 5). Появление дополнительного продольногоотверстия привело к уменьшению на порядок максимального коэффициентапередачи, т.е. нарушению волноводных свойств диэлектрика с периодической10структурой. Однако подбор других параметров может обеспечить оптимальное согласование ОР со структурой, учитывая волноводные свойства такогоотверстия.1614αА (В)1210α8642Рис. 6Схема поперечноговозбуждения периодической структуры диэлектрическим волноводом0383940414243f (ГГц)44Рис.

7 Частотный спектр при поперечном возбуждении диэлектрической периодической структуры с дополнительной металлизациейИзучены частотные спектры ряда систем при их непосредственномвозбуждении без ОР при помощи подводимого диэлектрического волновода(Рис. 6). Для уменьшения потерь энергии на излучение, пришлось прибегнутьк частичной металлизации больших секций диэлектрика. Пример наиболееэффективного возбуждения трех секций периодической структуры представлен в виде частотного спектра (Рис.

7). При этом коэффициент передачи поамплитуде достигал 0,77 при α=830 на частоте f=41,2ГГц. Для другого образцаэффективного возбуждения удалось добиться лишь для двух секций при α=890.Однако при этом коэффициент передачи достигал максимальной величины 0,86на частоте f=40,23ГГц.Подробный анализ модового состава и условий возникновения резонанса показал, что в этих случаях имеет место эффект дифракционного преобразования высших волн НЕ21→ НЕ41 для одной структуры и НЕ31→ НЕ51для другой.11МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ЦИЛИНДРИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ СВНУТРЕННЕЙ ПЕРИОДИЧЕСКОЙ СТУКТУРОЙИсследованы системы,bdпредставляющие собой поDлый цилиндр – медную трубудлиной l=100мм с различнымшагом внутренней периодиРис.

8 Полый металлический цилиндр сческой структуры (Рис. 8).внутренней периодической структуройПолучено наглядное трехмерное изображение спектра системы с шагом периодической структурыb=7мм в диапазоне частот 59-72ГГц при возбуждении с помощью сферических зеркал и последовательном увеличении расстояния L от 0 до 2,5 см между приемным зеркалом и торцом цилиндра (Рис.

9). Система эффективно возбуждается в диапазонах частот 60÷62 ГГц, 65÷66 ГГц и 70÷72 ГГц. С увеличением расстояния L, т.е. с превращением системы из полностью закрытой вA [B]L [см]L [см]f [ГГц]Рис. 9 Трехмерное изображениеспектра системы (b=7мм) сосферическими зеркаламиРис. 10 Зависимость добротностиQ исследуемой системы (b=7мм)от частоты f и расстояния Lоткрытую во всех трех областях происходит уменьшение коэффициента передачи вследствие потерь на излучение. Однако, очевидно, что этот спад происходит наиболее быстро для коротковолнового участка спектра (70÷72 ГГц),медленнее – для диапазона частот 65÷66 ГГц и наименее заметен в областиболее длинных волн (60÷62 ГГц).12Представлена характерная зависимость добротностей возбуждающихсяв системе типов колебаний от частоты f и расстояния L (Рис.