Генератор дифракционного излучения

 

1. ГЕНЕРАТОР ДИФРАКЦИОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, содержащий электронно-cftiтическую систему с катодом и коллектором , открытый резонатор в виде двух зеркал, периодическую структуру , выполненную на поверхности одного зеркала, и устройство для создания магнитного поля, отличающийс я тем, что, с целью увеличения объема передаваемой информации за счет повьппения 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 вьтолнена в виде кольцевой формирующей системы, содержит электростатическую систему фокусировки и расположена внутри вьшуклого зеркала, при этом кривизна вьтуклого зеркала должна удовлетворять следующему соотнощению: , (Л где R - радиус кривизны выпуклого зеркала; Л - длина волны в вакууме. 2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что по крайней мере одно из зеркал выполнено в виде о эо круглого тора, а периодическая структура выполнена в виде.щелей на поN9 N3 верхности выпуклого зеркала. о о

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (19) (11), (51) 4 Н 01 J 25/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ц.

Н ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

10 а Нс20

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР пО делАм изОБРетений и ОтнРьГтий (21) 3416081/18-21 (22) 01. 04, 82 (46) 15. 05. 86. Бюл. N 18 (71) Ордена Трудового Красного Знамени институт радиотехники и электроники АН СССР (72) Г.И.Ежов, Е.И.Нефедов, B.Ä.Îëåнин, К.И.Палатов, И.M.Ðoññèéñêèé и Н.П.Санталов (53) 621.385.6(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

N- 472598, кл. Н 01 J 23/24, 1976. Авторское свидетельство СССР

N - 195557, кл. Н 01 J 25/00 1967. (54)(57) 1. ГЕНЕРАТОР ДИФРАКЦИОННОГО

ИЗЛУЧЕНИЯ, содержащий электронно-dhтическую 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 за 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 кольцевой формирующей системы, содержит электростатическую систему фокусировки и расположена внутри выпуклого зеркала, при этом кривизна выпуклого зеркала должна удовлетворять следующему соотношению: где R — - радиус кривизны выпуклого зеркала;

3 — длина волны в вакууме.

2. Генератор по п.1, о т л и ч аю шийся тем, что по крайней мере одно из зеркал выполнено в виде круглого тора, а периодическая структура выполнена в виде. щелей на поверхности выпуклого зеркала.

1082? 20

Изобретение относится к электронике СВЧ миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов, в частности к генераторам СВЧ с открытым резонатором.

Известен генератор дифракционного излучения (ГДИ), содержащий катод, открытый резонатор, образованный внешним цилиндрическим зеркалом и внутренним, выполненным в виде гиперболоида вращения, коллектор, периодическую структуру, нанесенную на внутреннюю поверхность внешнего цилиндрического зеркала, помещенные внутри соленоида.

Недостатком генератора является недостаточная разреженность спектра генерируемых колебаний.

По технической сущности наиболее близким к предлагаемому является ГДИ, содержащий электронно-оптическую систему с катодом, коллектором, открытый резонатор, образованный сферическим и плоским зеркалами, периодическую структуру в виде дифракционной структуры, нанесенную на плоское зеркало, устройство для вывода энергии из ГДИ, помещенное внутри соленоида.

Недостатком ГДИ является недостаточная разреженность спектра генерируемых колебаний, обусловленная фундаментальным свойством открытых резонаторов, выполненных в виде плоских зеркал или выпуклых зеркал, обращенных друг к другу вогнутыми поверхностями.

Целью изобретения является увеличение объема передаваемой информации за счет повышения разреженности спектра 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 для создания магнитного поля, по крайней мере одно из зеркал открытого резонатора выполнено в виде части поверхности вращения, образованной при движении кривой в торо ro по рядка по окружности, параллельной второму 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:

2е

)0< — R +20 Д 9

t0 где R — радиус кривизны выпуклого зеркала A — длина волны в вакууме.

Одно из зеркал ГДИ может быть вы- . полнено в виде круглого тора, магнит может быть выполнен с кольцевыми магнитными наконечниками, а периодическая структура — в виде шелей íà c— верхности 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 зеркала, в — внешний радиус окружности тороидального зеркала.

ГДИ содержит зеркала 1 в виде торов, которые образуют открытый резонатор. На обращенных друг к другу внутренних поверхностях тороидальных зеркал 1 выполнена периодическая структура 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. Вывод энергии осуществляется через отверстие 6, В ГДИ имеется также электроЩ статическая система 7 фокусировки и проведения электронного пучка.

ДИ работают на колебаниях вида

Hm,Р, где m — азимутальный индекс колебаний (по координате М ), 1 радиальный индекс (по 2 ), Р— поперечный индекс (поперек тора) в области между каустическими поверхностями 8.

Целесообразен режим работы по поперечному индексу =1, ибо при этом создается максимально равномерное поле 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 виде торов возникают слабо затухающие колебания. Данный тип магнитных коле1082220 баний Нт р существует за счет нали-.

6 чия 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 1б

ГДИ,является предельным случаем биконического рупора с магнитными волнами типа Hm,. Волны Hm, обладают свойством иметь критическое сечение не в сужающейся, а в расширяющейся части волновода. Это обстоятельство ведет к возможности создания предложенного ГДИ, так как наличие конечной проводимости стенок тороидальных зеркал 1 и излучение энергии через 21 периодическую структуру 2 приводит к появлению затухания рабочего типа колебаний. Однако оно существенно меньше, чем затухание нерабочих типов колебаний, которые свободно из- 25 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, Хорошо отработанные на практике методы возбуждения ГДИ позволяют уверенно обеспечить один тип колебаний (с единичным вторым индексом) при расстояниях между зеркалами порядка 6-12 длин 4 волн рабочей частоты. При черезмерном увеличении расстояния между зеркалами возникает опасность возбуждения колебаний с не единичным вторым индексом. 15

Прицельный параметр обычен для генераторов дифракционного излучения— электронный поток должен располагаться в возможной близости от перио- >> дической структуры, однако не попадать на нее. Поверхностная волна, с которой электронный пучок взаимодействует, убывает по экспоненциальному закону, а стало быть для эффектив- ного взаимодействия электронный пучок должен быть максимально приближен к периодической структуре.

Ширина 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 1В 1) это выполняется при kR = 10-20, где к = 2 i/s, (R — радиус кривизны вь пуклого зеркала, я — длина волны в вакууме ; отношение 6/R, где — 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 радиус „„„генератора дифракционного излучения определяет-, ся в основном конструктивными соображениями и составляетг„„„=К, где R— радиус выпуклого зеркала. Максимальный радиусг„,„,определяется возможностями системы электростатической.проводки электронного потока. Он не может быть слишком большим, так как это требует больших энергетических затрат на электромагнитную фокусировку и удержание потока. Целесообразно выбрать „„ =(3-5)R.

ГДИ работает следующим образом.

Катод 3 испускает в сторону коллектора 4 поток электронов, который под действием постоянного магнитного поля, линейно-неоднородного по поперечйому сечению ГДИ фокусирующего соленоида 5 образованного катушками и электростатической системой фокусировки и проведения электронного пучка 7, формируется в электронный пучок 9. Последний, пролетая под периодической структурой 2, возбуждает над ней пространственные гармоники, фазовые скорости которых меньше скорости света. При скорости электронного пучка, близкой к фазовой скорости одной из пространственных гармоник, происходит эффективное взаимодействие электронного пучка 9 с продольной составляющей электрического высокочастотного поля Е q откры5 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 рассмотрим ГДИ-4, ГДИ-3 и ГДИ-5. Данное изобретение обеспечивает более высокую разреженность спектра излучаемых колебаний, так как число колебаний аИ, приходящихся на интервал частот

46)в базовом объекте, равно ьИ,=

S 6Ю/ i G а в предложенном изобретении ЬИ 2?.ьо/ЯС, где S — площадь открытого резонатора; ы =2М

- частота в вакууме; С вЂ” скорость света, L — длина площади окружности

082720 б открытого резонатора. При выполнении выпуклого зеркала в предложенном изобретении в виде тора эквивалентная площадь открытого резонатора в

5 базовом объекте будет S = (b> -а ), где Ь вЂ” радиус внешней окружности зеркала в виде тора, а — радиус его внутренней окружности. Отношение аМ, к аИ равно 1/4 (кв-ка), где

1о к = 2 h, Ч вЂ” длина волны в вакууме, которое при значениях кЬ = 10, ка =. = 0 показывает, что число колебаний

4Ы на единицу частотного диапазона в предложенном изобретении в 2,5 раза

15 меньше. При использовании предложенного ГДИ в квазиоптической линии передачи объем передаваемой информации можно в первом приближении увеличить в два раза, а следовательно, во

20 столько же раз снизить, стоимость передачи информации.!

082220

1082?20

1 47/

Редактор О.Кузнецова Техред О.Гортвай Корректор В.Бутя"a

Заказ 2718/1 Тираж 643 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

ФПроизводственно-полиграфическое предприятие, т. Ужгород, ул. Проектная, 4