Диссертация (1137125), страница 4

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 4)

Книгапереведена на русский язык в 2013 г. [24].Также необходимо отметить 6-томную энциклопедию по радиочастотной имикроволновой инженерии, вышедшую в 2005 г. в США под ред. К.Ченга исодержащую главы и разделы по замедляющим системам и диафрагмированнымволноводам, включая их применения в качестве элементов СВЧ приборов иразличных видов антенн и облучателей [25].1.2Физические и конструктивно-технологические особенности аксиальносимметричных замедляющих систем и резонаторовАксиально – симметричные периодические структуры и резонаторыобладают рядом преимуществ по сравнению со спиральными системами.

Ониболее технологичны, механически жестки и электрически прочны, допускаютрассеяние больших мощностей. Электродинамические системы, однородные поазимуту, обладают такими важными свойствами, как гибридность возбуждаемыхв них азимутально – неоднородных типов волн и способность неискаженнойпередачи произвольного поляризационного состояния электромагнитного поля.Такие системы обладают симметрией вращения бесконечного порядка итрансляционной симметрией, т.е.

структуры совмещаются сами с собой приповороте на произвольный, в том числе бесконечно малый угол [5, 6, 14].К базовым аксиально-симметричным периодическим структурам следуетотнести следующие типы – это диафрагмированный волновод, внутри которогоимеются нерегулярности в виде диафрагмы (рисунок 1.2.1а), диафрагмированныйволновод,содержащийвнутреннийгладкийстержень(рисунок1.2.1б),одиночный ребристый стержень (рисунок 1.2.1в), ребристый стержень визотропном экране, нерегулярности в котором расположены по внешнемурадиусу электрода (рисунок 1.2.1г).22Рисунок 1.2.1 – Примеры аксиально-симметричных периодических структур:а-диафрагмированный волновод; б – диафрагмированный волновод с гладкимцентральным стержнем; в – одиночный ребристый стержень;г – ребристый стержень в изотропном экранеБолеесложнымидиафрагмированныйволноводсистемами(рисунокявляются1.2.2),двухступенчатыйкоаксиальнаялинияс23диафрагмированными проводниками (рисунок 1.2.3) и периодические системы соступенчатой формой резонаторов (рисунок 1.2.4).Рисунок 1.2.2 – Двухступенчатый диафрагмированный волновод (а) и резонаторы наего основе (б)Рисунок 1.2.3 – Коаксиальная линия с диафрагмированными проводниками (а) ирезонаторы на ее основе (б)24Рисунок 1.2.4 – Диафрагмированные волноводы со ступенчатой формой резонаторов(а, б) и резонаторы на его основе (в, г, д)Такженеобходимовыделитьтакиеаксиально-симметричныеэлектродинамические системы как кольцевой волновод (рисунок 1.2.5а),экранированный кольцевой волновод (рисунок 1.2.5б), кольцевой волновод состержнем (рисунок 1.2.5в), экранированный кольцевой волновод со стержнем(рисунок 1.2.5г) и периодическую диэлектрическую структуру (рисунок 1.2.6).Следует также отметить, что цепочка связанных кольцевых резонаторов,получившая широкое распространение в качестве замедляющей системы мощныхламп с бегущей и обратной волной, не относится непосредственно к аксиально –симметричным структурам, но близка к ним при большом числе щелей связи.25Рисунок 1.2.5 – Кольцевой волновод (а), экранированный кольцевой волновод (б),кольцевой волновод со стержнем (в), экранированный кольцевой волновод состержнем (г)Рисунок 1.2.6 – Диэлектрическая периодическая структура26Резонаторы на основе аксиально – симметричных периодических структуробразуютсяограничениемотрезкаструктурыпроводящимистенками,расположенными в плоскостях симметрии, перпендикулярно к трансляции.

Такиерезонаторы можно разделить на три типа [14] – первый – с расположением стенокв плоскости симметрии структуры; второй – со стенками в плоскости симметриидиафрагм; и третий – с одной стенкой в плоскости симметрии диафрагм, а другой– посередине между диафрагмами (рисунки 1.2.2 (б), 1.2.3 (б), 1.2.4 (в, г, д), 1.2.7(а – е).Рисунок 1.2.7 – Резонаторы на основе диафрагмированного волновода (а,б,в),диафрагмированного волновода с гладким стержнем (г), ребристого стержня (д),экранированного ребристого стержня (е)271.3Применение аксиально-симметричных замедляющих систем ирезонаторов в электронике и антенной техникеРазличные модификации аксиально – симметричных периодических систем,в частности, диафрагмированного волновода, традиционно применяются влинейных резонансных ускорителях и высокочастотных сепараторах частицвысоких энергий [10].

Работа первых основана на распространении азимутальнооднородной волны низшего электрического типа, а вторых – на возбуждениипервого типа азимутально – неоднородной волны.Коаксиальная линия с диафрагмированными проводниками уже в конце 40х годов прошлого века привлекла внимание исследователей возможностьюуправления дисперсионными характеристиками, что очень важно при разработкемикроволновых приборов, в частности, ламп с бегущей и обратной волной [26].Уже в те годы получено дисперсионное уравнение для азимутально-однородныхволн в коаксиальной линии с бесконечно тонкими диафрагмами, анализ которогопоказал малую дисперсию и широкополосность такой системы, а такжевозможность рассеивать большие мощности по сравнению со спиралью [27].Также сделан вывод о том, что в ЛБВ с трубчатым электронным пучкомцелесообразнее использовать коаксиал с диафрагмированными проводниками,чем экранированный ребристый стержень.В последнее десятилетие большое внимание уделяется релятивистским иультрарелятивистским приборам, что обусловлено стремлением продвинуться вмиллиметровый и субмиллиметровый диапазон и получить более высокие уровниСВЧ энергии [28-30].

Такие приборы О-типа основаны на индуцированныхчеренковском и переходном излучениях релятивистских электронов и содержатвыходные секции в виде периодических азимутально-однородных систем(рисунок 1.3.1).28Рисунок 1.3.1 – Секция периодической системы на основе диафрагмированноговолноводаАнализ требований к периодическим структурам таких приборов показалпреимущества использования отрезков гофрированных и петляющих волноводов[30]. На рисунке 1.3.2 показана лампа бегущей волны диапазона 0,14ТГц с такойволноводной замедляющей системой. При этом наибольшей по амплитудепространственной гармоникой передается основная часть СВЧ-энергии, апервыми гармониками осуществляется синхронное взаимодействие с электронами[30-32].Рисунок 1.3.2 – ЛБВ диапазона 0,14 ТГц с замедляющей системой на основегофрированного волноводаДругой областью применения аксиально – симметричных периодическихсистем является их использование в качестве эффективных облучателейзеркальных антенн [33, 34].

Такие системы на базе диафрагмированныхволноводов,гофрированныхрупоровиребристыхстержнейразличныхмодификаций (рисунки 1.3.3 – 1.3.4) обладают рядом преимуществ: осевойсимметриейдиаграммнаправленности,хорошимиполяризационнымихарактеристиками и возможностью концентрации максимальной энергии вцентральном лепестке.Основная идея использования импедансной структуры в качестве внешнейповерхности волноводного облучателя состоит в том, чтобы воспрепятствоватьвытеканию токов из внутренней части волновода наружу. Отсутствие наружных29токов приводит к улучшению симметрии диаграммы направленности излучения.Эти свойства позволяют применять аксиально – симметричные периодическиесистемы как элементы поверхностей облучателей радиотехнических систем свысокой помехозащищенностью.Рисунок 1.3.3 – Облучатель зеркальной антенны на основе диафрагмированногорупора и его диаграмма направленностиРисунок 1.3.4 – Волноводные облучатели зеркальных антенн диапазона9,4 – 10,7 ГГц на основе коаксиальных волноводов с внешней импедансной поверхностьюКруглыйдиафрагмированныйстерженьширокоиспользуетсякактелевизионная антенна (рисунок 1.3.5).

В сочетании с коническим рупором онпозволяетосуществлятьприемипередачусигналовдециметровогоисантиметрового диапазонов. Выбор такой системы обусловлен малым диаметромстержня, низким уровнем бокового излучения, меньшими, чем в диэлектрическомстержне, шумами, и несущественным влиянием на излучение облучающегорупора[7, 35].Рисунок 1.3.5 – Антенна на основе одиночного ребристого стержня30Диафрагмированный стержень также используется в качестве элементарешеткиоблучателямноголучевыхсканирующихзеркальныхантенннавигационного и космического назначения (рисунок 1.3.6). Решетка изнебольшогочислаплотноупакованныхстержнейотличаетсямалымигабаритными размерами и обеспечивает работу с требуемым усилением изаданной поляризацией [36]. Диафрагмированный стержень в экране применяетсякак направляющая система фазированных антенных решеток с частотнымсканированием, где позволяет обеспечить высокую угловую чувствительность, атакже, при необходимости, фазовый сдвиг для волн с произвольной поляризацией[37- 39].Рисунок 1.3.6 – Фазированная антенная решетка системы Inmarsat 4L - диапазона (1 – 2 ГГц)При использовании конического экрана (рупора) обеспечивается усиление15±1 дБ в достаточно широкой полосе частот (1,2 – 1,6 ГГц), а уровень боковыхлепестков менее – 30 дБ.

Такая антенная решетка исследована с цельюиспользования в глобальной системе позиционирования США, и показала лучшиерезультаты, чем отдельные рупор или диафрагмированный стержень [40]. Посравнению с цилиндрической спиральной антенной, помещенной в рупор, онапроще варьируется по длине и позволяет обеспечивать прием сигналовпроизвольной поляризации.Свойстваазимутально–неоднородныхволнвэкранированномдиафрагмированном стержне исследовались разработчиками зеркальных антеннпри создании двух – и многодиапазонных облучателей с малым уровнем31кроссполяризационногоизлучения.Вработе[41]показано,чтоприсоответствующем выборе геометрических размеров проводников и глубиныканавок можно получить одинаковые диаграммы направленности и совпадающиефазовые центры облучателя в двух и более диапазонах частот, чего не удаетсядостичь в облучателях на базе двух – и многоступенчатого диафрагмированноговолновода.

При четвертьволновой глубине канавок диаграмма направленностисимметрична, а кроссполяризация практически отсутствует. Облучатели с такимипараметрами особенно нужны для зеркальных антенн систем космической связи[42].1.4 Применение аксиально-симметричных замедляющих систем ирезонаторов в качестве излучателей для микроволновой терапииОднойизобластейнетрадиционногопримененияаксиально–симметричных замедляющих систем является возможность создания на их основеэффективных излучателей для микроволновой физиотерапии и, в частности,урологии [43, 44].Микроволноваяфизиотерапияосновананаиспользованииэлектромагнитного излучения с частотами 300–2450 МГц. Электромагнитноеизлучение, превышающее 300 МГц, воздействуя на ткани, вызывает осцилляциисвободных заряженных частиц, поляризованных молекул и диполей, что являетсяпричинойповышениятемпературывтканях.Глубинапроникновениямикроволнового излучения уменьшается с увеличением частоты (рис.1.4.1).Рисунок 1.4.1 - Глубина проникновения микроволнового излученияв зависимости от частоты32При частоте 100 МГц глубина проникновения составляет 100 мм, а при 2450МГц – частоте, используемой в бытовых микроволновых печах – глубинапроникновения составляет 10 мм.

Характеристики

Список файлов диссертации