Открытый резонатор

ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскихСоциалистическихРеслублик(61) Дополнительное к авт. свид-ву(22) Заявлено 15. 12. 80 (21) 3218581/18-21 (31 М. КЛ. с присоединением заявки Мо(23) ПриоритетН 01 3 23/18 Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытий3Ордена Трудового Красного Знамени институтрадиофизики и электроники АН Украинской ССР(54) ОТКРЫТЫЙ РЕЗОНАТОР Изобретение относится к технике СВЧ, а именно к открытым резонаторам (ОР 1 мм и субмм диапазонов, и .может найти применение в измерительной технике, в радиолокации, в радио- спектроскопии и др.Известны открытые резонаторы, , состоящие из одного или более зеркал. Отражающая поверхность открытых резонаторов с одним зеркалом представляет 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 егооткрытого конца. Когда длина .волны л, парциальной волны близка к критической Л = Л , то коэффициент отражения ее от открытого конца волновода близок к единице. Это условие является достаточным для формированиясобственного колебания ОР.В зависимости от конфигурациизеркал и расстояния между чими в ОРвозбуждается одно из собственных колебаний ТЕМ , где мну. - целвые числа, Добротность колебания в значительной степени зависит от связи ОР сосвободным пространством, т. е. отдифракционных потерь (дП). дП всвою очередь определяются величинойкоэффициента отражения парциальныхволн, участвующих в формировании данного колебанияПри уменьшении апертуры зеркал увеличиваются ДП для высших типов колебаний, а в случае приближения к концентрической геометрииОР - и дЛя основного типа колебаний 1,Однако для обеспечения работы ОРна высокодобротных типах колебанийнеобходимо существенным образом увеличивать апертуру зеркал, что приводит к сгушению спектра колебаний, Вто же время в ряде практических при менений необходимо прн малых размерах зеркал иметь высокую добротностьколебаний и достаточно редкий спектр.Общим недостатком всех перечисленных вьапе открытых резонансныхсистем является низкая добротностьколебаний при требуемых на практикенебольших размерах зеркал.Известны открытые резонаторы,содержащие по крайней мере дна зеркала. Собственные, колебания в такихрезонаторах формируются в результате последовательного отражения парциальной плоской волны от открытыхконцов нолнонода, образованного зеркалами ОР.Если Д парциальной плоскойволны близка к критической А = Л Рнолновода, то ее коэффициент отражения близок к единице и связь колебания со свободным пространством мийимальна,Для создания ОР с высокой добротностью необходимо уменьшить ДПрезонатора на данном колебании. Этодостигается увеличением апертуры (а)зеркал ОР. Чем. больше а, тем длябольшего числа парциальных волн коэффициент отражения от открытого конца стремится к единице, что приводит к уменьшению ДП высших типовколебания и, следовательно, к сгущению спектра ОР 2.В целом ряде случаев, например,в электронных генераторах ГДИ, врадиоспектрометрах мм диапазона, необходимо создать ОР, который наряду с высокой добротностью низшихтипов колебаний имел бы небольшиеразмеры зеркал.Такие требования определяются высокими значениями необходимых магнитных полей. Поэтому желательно уменьшить зазоры между полюсами магиита, ннутренний размер полости соленоида. В противном случае усложняется технология производства, а следовательно, и стоимость магнитных систем. Применение объемных резонаторов 40в мм диапазоне ,невозможно в видуих низких селектинных свойств.В силу перечисленных выше причинувеличение добротности ОР традиционными методами, а именно путем увеличения апертуры зеркал, невозможно,К недостаткам известных резонаторов в мм диапазоне следует отнестиследующее. Резкое увеличение дифракционных потерь колебаний ОР приумЕньшении апертуры зеркал, а следовательно, уменьшение добротности.колебанийТак как дифракционныепотери колебаний увеличиваются приувеличении индекса колебания, тоневозможно создать резонатор с малойапертурой и высокой добротностьювысших модов, т. е. невозможно управлять спектром такого резонатора,Следовательно, для создания резонатора, удовлетворяющего требованиям.бОпрактики, необходимо свести кминимуму влияния апертуры на добротностьсобственных колебаний ОР.В открытых резонаторах, отражающая поверхность котооых поедставляет 65 собой поверхность тела вращения, собственные колебания формируются в результате сильных отражений от концов. Причем с ростом индекса колебания щ 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 снойстнами необходимо разделить по потерям колебания с различными индексами.Следовательно, к недостаткам известного резонатора следует отнести низкую добротность колебаний, свяванную с высокими дифракционными отерями, и густой спектр резонансных частот.Цель изобретения - увеличение добротности колебаний заданного участка спектра открытого резонатора эа 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 ИФ,-ого колебания, нанесена периодическая структура. Причем параметры этой периодической структуры удовлетворяют соотношению РЗ 1 и вгде6Л фЕ - период структуры;,1 - длина волны,- угол падения парциальной плоскикой волны,Р - номер автоколлимирующей гармоникипри этом понерхность зеркала совпадает с эквивалентной отражающейповерхностью периодической структуры.На фиг. 1 показана конструкцияпредлагаемого открытого резонатора,состоящего из двух зеркал; на фиг, 2"периодическая структура типа эшелетт;на фиг. 3 - конструкция предлагаемого цилиндрического резонатора.Открытый резонатор содержит двазеркала 1 и 2, центры которых расположены на оси резонатора, а касательные к поверхности зеркал 1 и 2 вэтих центрах параллельны друг другуК зеркалу 2 подсоединен элемент 3связи, представляющий собой прямоугольный волновод сужающийся по узкой стенке до размера 0,1 мм,Зеркала 1 и 2 могут быть сферическими, цилиндрическими и плоскими.На перифирийной части одного илиобоих зеркал 1 и 2 на расстоянии,- период структуры,Х - длина волны,Ф - угол падения парциальнойплоской волны;виР - номер автоколлимирующейгармоники,,при этом поверхность зеркала 2 совпадает с эквивалентной отражающей поверхностью периодической структуры 4,Эквивалентная отражающая поверхность находится на расстоянии Ье отверхнего края периодической структуры 4, причемь 25 30 З 5 на Ь=оо и рассчитав ее для угловпадения 9 , можно существеннымобразом подавить низшие типы колебаний, увеличив при этом добротностьосновного. В полуконфокальном резонаторе в случае вырождения высших 40 типов колебаний ПС его снижают. При-этом можно управлять спектром и добротностью колебаний ОР.Расчет показывает, что при определенных условия, накладываемых на45 ПС, отражение может быть полным.Предлагаемый открытый резонаторпо сравнению с известными обеспечивает повышениедобротности колебаний заданного участка спектра путем 50 уменьшения их ДП. Это достигаетсяувеличением коэффициента отраженияпарциальных плоских волн, формирующих колебание, за счет примененияпериодической структуры, работающей 55 в автоколлимационном режимеИзменяясоответствующим образом параметрыпериодической структуры и расстояние, можно управлять спектром ОР.Изобретение может найти примене ние в тех областях техники, гденеобходимы высокодобротные резонаторы с заданными параметрами, напримерв генераторах дифракционного излучения для увеличения области "захва таф дифракционного излучения, в твергде ,равном радиусу пятна поля юи, и -огсколебания, нанесена периодическаяструктура 4, параметры которой удовлетворяют следующему соотношению о 1 мсозргде агаР - фаза отраженной волны,зависящая от параметровпериодической структурыеПериодическая структура 4 можетбыть выполнена в виде гребенки илиэшелетта. Для зеркал 1 и 2 круглойапертуры ламели периодической струк:туры 4 перпендикулярны радиусу зеркала 2. Периодическая структура 4 на.,несена в виде концентрических окруж,ностей.В случае прямоугольной апертуры.ламели периодической структуры параллельны широкой стенке элемента3 связи. В многоэеркальных открытыхрезонаторах периодическая структурананосится аналогично описанному наодно или несколько зеркал резонатора,В другом варианте зеркало открытого резонатора представляет собойотрезок цилиндрической трубы. 5, наконцах которой нанесена периодичес1 кая структура 4.Параметры периодической структуры4 удовлетворяют соотношениюРЩгМИ Мене 1 гр61- период структуры,- длина волны;- угол падения парциальнойЗЕБРплоской волны;Р - номер автоколлимирующей гармоникипри этом отражающая поверхность верка ла резонатора совпадает с эквивалентной отражающей поверхностью перио 5 10 15 20,дической структуры 4, а расстояние 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. Параметры.периодической структуры (ПС) удовлетворяют условию существования автоколлимационного режима, т. е. парциальная плоская волна, падающая под углом%на ПС, отражается обратно в сторону прихода. Поскольку собственное колебание ОР задано спектром углов 9 , то, выбирая параметры пе-,. риодической структуры в соответствии с соотношением ж-РЮм Ф обеспе-, чивается оптимальный коэффициент от" ражения периодической структуры именно для этого колебания. Тем саьым . уменьшаются ДП заданного колебания, а следовательно, увеличивается его добротность. Индексы колебаний и и ивыбираются из условия обеспечениядобротных колебаний на наружномучастке спектра. Располагая периодическую структуру с параметрами,оптимальными для высших типов колебаний, можно существенным образомувеличить их добротность без снижения добротности низших типов. Или,разместив периодическую структуру/ / / Фис,Р РИИПИ Заказ 8722/71 Тираж 761 е Филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проект дотельных генераторах для улучшенияусловий отбора мощности полупроводникового активного элемента, в спектрометрах мм диапазона, где необходимывысокодобротные ОР с малыми апертурами, а также при создании электродина.мических систем большой протяженности для поляризованных ядерных мишеней. Открытый резонатор, содержащий по крайней мере одно зеркало, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью увеличения добротности: колебаний заданного участка спектра, на периферийной части по крайней мере одного иэ зеркал на расстоянии, равном радиусу пятна поля заданного и-го колебания, выполнена периодическая структура, параметры которой удовлетворяют соотношениюР ЖфЯЮ Муи гдеф Ю - период структуры,- длина волны; Ф - угол падения парциальной волны р - номер автоколлимирующей гар моники, при этом поверхность зеркала совпадает с эквивалентной отражающей поверхностью периодической структурыИсточники информации, 5 принятые во внимание при экспертизе1. Шестопалов В.П. Дифракционная электроника.,Харьков, фВища школаф, 1976, с. 94.2. Вайнштейн Л.А. Открытые резо ;р наторы и открытые волноволы, М., Сов. радио, 1966, с 473 (прототип).1