Генератор дифракционного излучения

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИН 19) И 1) 511 ф Н 01 Л 25/00 ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТ Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 10 ,-Н с 2 ого С:Ф кууме, отлича"крайней мелнено в виде днческая струк щелей на поркала. ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ(7 1) Ордена Трудового Красного Знамени институт радиотехники и электро. ники АН СССР(56) Авторское свидетельство СССР У 472598, кл. Н 01 7 23/24, 1976.Авторское свидетельство СССР У 195557, кл. Н 01 3 25/00 1967.(54)(57) 1. ГЕНЕРАТОР ДИФРАКЦИОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, содержащий электронно-оптическую систему с катодом и коллектором, открытый резонатор в виде двух зеркал, периодическую структуру, выполненную на поверхности одного зеркала, и устройство для создания магнитного поля, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью увеличения объема передаваемой информации эа счет повышения разреженности спектра излучения, по крайней мере одно из зеркал открытого резонатора выполнено в виде поверхности вращения, образованной при движении кривой второго порядка по окружности, параллельной второму зеркалу, и обращено своей выпуклой стороной к второму зеркалу, а электронно-оптическая система выполнена в виде кольце" вой формирующей системы, содержит электростатическую систему фокусиров ки и расположена внутри выпуклого зеркала, при этом кривизна выпуклого зеркала должна удовлетворять следующему соотношению: где к - радиус кривизны взеркала;3 - длина волны в ва2. Генератор по п.1,ю щ и й с я тем, что по ре одно из зеркал вып круглого тора, а пери тура выполнена в виде верхности выпуклого зИзобретение относится к электронике СВЧ миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов, в частности кгенераторам СВЧ с открытым резонатором,Известен генератор дифракционногоизлучения (ГДИ), содержащий катод,открытый резонатор, образованныйвнешним цилиндрическим зеркалом ивнутренним, выполненным в виде гиперболоида вращения, коллектор, периодическую структуру, нанесеннуюна внутреннюю поверхность внешнегоцилиндрического зеркала, помещенныевнутри соленоида.Недостатком генератора являетсянедостаточная разреженность спектрагенерируемых колебаний.По технической сущности наиболееблизким к предлагаемому является ГДИ,содержащий электронно-оптическуюсистему с катодом, коллектором, открытый резонатор, образованный сферическим и плоским зеркалами, периодическую структуру в виде дифракционной структуры, нанесенную на плоскоезеркало, устройство для вывода энергии из ГДИ, помещенное внутри соленоида.Недостатком ГДИ является недостаточная разреженность спектра генерируемых колебаний, обусловленнаяфундаментальным свойством открытыхрезонаторов, выполненных в виде плоских зеркал или выпуклых зерйал, обращенных друг к другу вогнутыми поверхностями.Целью изобретения является увеличение объема передаваемой информации за счет повышения разреженностиспектра излучения,указанная цель достигается тем,что в известном генераторе дифракционного излучения, содержащем электронно-оптическую систему с катодом,коллектором, открытый резонатор в виде двух зеркал, периодическую структуру, выполненную на поверхности одного иэ зеркал, и устройство длясоздания магнитного поля, по крайнеймере одно из зеркал открытого резонатора выполнено в виде части поверх"ности вращения, образованной придвижении кривой второго порядка по окружности, параллельнойвторому зеркалу, и обращено своей выпуклой стороной к второму зеркалу,а электронно-оптическая система выполнена в виде кольцевой формирующей системы, содержит электростатическую систему фокусировки и расположена внутри выпуклого зеркала, при этом кривизна выпуклого зеркала должна удовлетворять следующему соотношению:10 с - К (2010 где В - радиус кривизны выпуклогозеркала3 - длина волны в вакууме.Одно из зеркал ГДИ может быть вы-,полнено в виде круглого тора, магнитможет быть выполнен с кольцевыми магнитными наконечниками, а периодическая структура - в виде шелей на ловверхности выпуклого зеркала,На фиг.1 схематически изображен ГДИ;на фиг,2 и 3 даны две проекции зеркала в виде тора", на фиг.4 - обобщенные зависимости поперечного волнового числа от отношения а(в, где а -внутренний радиус тороидального зер 2 Б кала, в - внешний радиус окружноститороидального зеркала,ГДИ содержит зеркала 1 в виде торов, которые образуют открытый резонатор. На обращенныхдруг к другувнутренних поверхностях тороидальныхзеркал 1 выполнена периодическаяструктура 2 в виде щелей в их стенках. Катод 3 и коллектор 4 (см,фиг.2)обращены друг к другу нерабочими поверхностями и расположены внутри полости тороидальных зеркал 1, помещенных внутри соленоида 5, Выводэнергии осуществляется через отверстие 6, В ГДИ имеется также электро- Щстатическая система 7 фокусировкии проведения электронного пучка.ГДИ работают на колебаниях видаНш,Р, где ш - азимутальный индексколебаний (по координате ч ), 1радиальный индекс (по), Р - поперечный индекс поперек тора) в области между каустическими поверхностями 8.Целесообразен режим работы по поперечному индексу=1, ибо при этомсоздается максимально равномерноеполе поперек периодической структуры 2, Принципиальным является значение радиального индекса, равного 1,поскольку в этом и только в этом случае в системе из двух зеркал в видеторов возникают слабо затухающие колебания. Данный тип магнитных коле1082220 баний Нтсуществует за счет нали-.Ьчия кольцеобразных критических сечений (совпадающих в данном случае с каустическими поверхностями), Поле между ними носит колебательный харак" тер, а вне этой области убывает по экспоненциальному закону.Система двух зеркал в виде торов, составляющая принципиальную основу открытого резонатора предлагаемого 10 ГДИ,является предельным случаем биконического рупора с магнитными волнами типа 8 щ,. Волны Нщ обладают свойством иметь критическое сечение не в сужающейся, а в расширяющейся ц части волновода. Это обстоятельство ведет к возможности создания предложенного ГДИ, так как наличие конечной проводимости стенок тороидальных зеркал 1 и излучение энергии через 20 периодическую структуру 2 приводит к появлению затухания рабочего типа колебаний, Однако оно существенно меньше, чем затухание нерабочих типов колебаний, которые свободно из лучаются из данной резонансной структуры. Последнее обстоятельство приводит к редкому спектру собственных колебаний типа Нт,р, что имеет большое значение для ГДИ и позволяет воз-Зя будить одно рабочее колебание в полосе частот шириной порядка октавы,Добротность открытого резонатора ГДИ, как и ГДИ с фокусирующими зеркалами, равна 1-5 10 , ХОРОЮО отработанные на практике методы возбуждения ГДИ позволяют уверенно обеспечить один тип колебаний (с единичным вторым индексом) при расстояниях между зеркалами порядка 6-12 длин волн рабочей частоты. При чрезмерном увеличении расстояния между зеркалами возникает опасность возбуждения колебаний с не единичным вторым индексом. 45 Прицельный параметр обычен для генераторов дифракционного излучения - электронный поток должен располагаться в возможной близости от перно. 11 дической структуры, однако не попадать на нее. Поверхностная волна, с которой электронный пучок взаимодействует, убывает по экспоненциальному закону, а стало быть для эффектив-М ного взаимодействия электронный пучок должен быть максимально приближен к периодической структуре. 4Ширина зоны (ширина "пятна ) между критическими сечениями (каустиками) выбрана иэ соображений работы открытого резонатора ГДИ на колебаниях магнитного типа с единичным индексом в направлении, поперечном по отношению к электронному потоку, и составляет несколько длин волн рабочей частоты, Рабочее поле формируется путем последовательного отражения волны от критических сечений. В силу необходимой слабой нерегулярности зеркал резонатора в поперечном направлении (так как 1 В е 1) это выполняется при Ы = 10-20, где к = 29/а, (К - радиус кривизны вь- пуклого зеркала, Я - длина волны в вакууме; отношение 6 Ф, где Ь - максимальный прогиб зеркала, должен быть порядка 0,03-0.,1 с тем, чтобы преобразование в волны других типов было пренебрежимо мало (по порядку величины оно есть квадратная величина от степени нерегулярности); Минимальный радиусггенераторадифракционного излучения определяет-,ся в основном конструктивными соображениями и составляетг=К, где К -радиус выпуклого зеркала, Максимальный радиусгопределяется возможностями системы электростатической.проводки электронного потока. Он не может быть слишком большим, так какэто требует больших энергетическихзатрат на электромагнитную фокусировку и удержание потока. Целесообразно выбрать=(3-5)К,ГДИ работает следующим образом.Катод 3 испускает в сторону коллектора 4 поток электронов, которыйпод действием постоянного магнитногополя, линейно-неоднородного по поперечйому сечению ГДИ фокусирующегосоленоида 5 образованного катушкамии электростатической системой фокусировки и проведения электронногопучка 7, формируется в электронныйпучок 9, Последний, пролетая подпериодической структурой 2, возбуждает над ней пространственные гармоники, фазовые скорости которых меньшескорости света. При скорости электронного пучка, близкой к фазовойскорости одной из пространственныхгармоник, происходит эффективноевзаимодействие электронного пучка 9с продольной составляющей электричес"кого высокочастотного поля Еоткры 5 1 того резонатора, образованного тороидальными зеркалами 1. При токе электронного пучка, большего его пускового значения, система открытый резонатор - электронный пучок - периодическая структура самовоэбуждается и генерирует электромагнитные колебания, выводимые через отверстие 6. В качестве базового объекта рас" смотрим ГДИ, ГДИи ГДИ. Данное изобретение обеспечивает более высокую разреженность спектра излучаемых колебаний, так как число колебаний вЯ, приходящихся на интервал частот 6(д в базовом объекте, равно ьИ,=Зш 6 Я/ ТС, а в предложенном изобретении ЬИ 21.ьойС, где Я - площадь открытого резонатора, у =2 И- частота в вакууме; С - скорость света; Ь - длина площади окружности 082220 боткрытого резонатора. При выполнениивыпуклого зеркала в предложенномизобретении в виде тора эквивалентная площадь открытого резонатора в5базовом объекте будет Б =(Ь -а ),где Ь - радиус внешней окружностизеркала в виде тора, а - радиусего внутренней окружности. ОтношениеаМ, к аИ равно 1/4 (кв-ка), где10 к = 27, Ъ - длина волны в вакууме,которое при значениях кЬ = 10, ка =,= 0 показывает, что число колебанийФЫ на единицу частотного диапазонав предложенном изобретении в 2,5 раза15 меньше, При использовании предложенного ГДИ в квазиоптической линии передачи объем передаваемой информацииможно в первом приближении увеличитьв два раза, а следовательно, во20 столько же раз снизить, стоимость передачи информации,