Многофокальный открытый резонатор

 

Использование: техника миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов. Сущность изобретения: многофональный открытый резонатор содержит первое зеркало с образующей в виде системы софокусных эллипсов и второе зеркало с прямолинейной образующей, проходящей через фокусы первого зеркала. Первое и второе зеркала выполнены в виде тел вращения вокруг первой и второй осей, ориентированных параллельно прямолинейной образующей профиля второго зеркала и расположенных каждая со стороны разноименного зеркала вне объема, заключенного между первым и вторым зеркалам. На торцах зеркал установлены дополнительные зеркальные элементы, фазовый центр которых совмещен с ближайшим к нему фокусом первого зеркала, а их поверхность образована вращением их образующей вокруг первой оси. 3 з.п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области СВЧ-техники миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов волн, а именно - к резонансным системам СВЧ-диапазонов, и предназначено преимущественно для применения в генераторно-усилительных приборах, в которых используются квазиоптические резонансные системы.

В развитии некоторых квазиоптических устройств СВЧ наметилась тенденция к замене традиционных "однофокусных" открытых резонаторов (ОР) многофокальными системами с каскадной фокусировкой СВЧ-энергии в локальных зонах резонансного объема - волновых фокусах ОР. Наличие таких зон позволяет разместить в синфазном резонансном поле высокой интенсивности несколько нелинейных элементов и осуществить, например, в генераторах дифракционного излучения (ГДИ) и полупроводниковых квазиоптических генераторах резонансное сложение мощностей нескольких СВЧ-источников, что повышает выходную мощность прибора в целом. Однако дальнейшее повышение выходной мощности таких приборов ограничено недостатками конструкций их ОР, имеющих не более чем две-три фокусные зоны, в которых могут быть размещены нелинейные элементы. Другие известные многофокальные структуры имеют достаточное число волновых фокусов, но не обладают необходимой добротностью. Отсутствие конструкций многофокальных ОР, в которых возможно возбуждение устойчивых добротных колебаний с большим количеством волновых фокусов, препятствует разработке генераторных устройств с высокой выходной мощностью. Поэтому создание многофокальных резонансных структур для генераторно-усилительных устройство СВЧ-диапазона является актуальной задачей, решение которой ускорит разработку и создание новых СВЧ-приборов, важных для народного хозяйства.

Известен открытый резонатор, в котором для формирования двух фокусных зон добротного колебания используется зеркало с профилем в виде двух софокусных эллипсов и плоское зеркало. Недостаток этого ОР состоит в уменьшении его добротности и ухудшении резонансных свойств при увеличении количества волновых фокусов [1].

Ближайшим по технической сущности и достигаемому положительному эффекту к предлагаемому техническому решению является многофокальное квазиоптическое устройство, образованное системой софокусных эллиптических зеркал и плоски- ми зеркалами, помещенными в фокусах эллиптических. В этой структуре обеспечивается концентрирование синфазного поля СВЧ в большом количестве волновых фокусных зон при распространении энергии вдоль структуры в прямом направлении - от фокуса-источника к фокусу-приемнику. Однако использование такой структуры в качестве резонансной существенно затрудняется тем, что в ней не могут быть обеспечены многократные циклические обходы волновыми (лучевыми) потоками по пространственно стабильным траекториям, проходящим через те же фокусы структуры, но в обратной последовательности. Известно, что это требование является необходимым для формирования устойчивого добротного колебания в квазиоптических резонансных структурах, поскольку волны, соответствующие лучам, многократно обобщающим цикл, должны достаточно долго интерферировать друг с другом на протяжении цикла, чтобы образовать собственное колебание.

Траекторный анализ процесса распространения лучей в многофокальной структуре-прототипе свидетельствует о том, что после ее прямого прохода с последовательным фокусированием в каждом фокусе периферийное эллиптическое зеркало формирует обратный поток энергии, сходящийся не в конечном периферийном ее фокусе, а во внутреннем, предшествующем периферийному (как и в аналоге). Поскольку размеры всех внутренних эллиптических зеркал в направлении распространения не превышают фокусное расстояние 2а ε (а - его большая полуось, ε - эксцентриситет), то углы прихода в этот внутренний фокус "обратных" лучей относительно линии, соединяющей фокусы структуры, оказываются такими, что после отражения от расположенного в этом фокусе плоского зеркала "обратные" лучи попадают на поверхность внутреннего эллиптического зеркала, которому данный фокус не принадлежит. Поэтому при последующих переотражениях "обратные" лучевые потоки не сходятся периодически в каждом фокусе структуры - прототипа, как при прямом распространении, их распространенные в сторону фокуса-источника приобретает хаотический характер и происходит по траекториям, не содержащим точки фокусов структуры и существенно не совпадающим с траекториями прямого распространения. По этой причине в подобных структурах с числом фокусов p > 3 энергия "обратного" потока рассеивается во всем объеме и проникает в свободное пространство, интерференции прямой и обратной волн не происходит, из-за чего уменьшается добротность колебания с волновыми фокусами, соответствующими геометрическим фокусам структуры.

Целью изобретения является повышение добротности многофокальной квазиоптической структуры.

Это достигается тем, что в многофокальном открытом резонаторе, содержащем первое зеркало с профилем в виде системы софокусных эллипсов и второе зеркало с прямолинейным профилем, проходящим через фокусы первого зеркала, указанные зеркала выполнены с поверхностями вращения их профилей вокруг соответственно первой и второй осей, ориентированных параллельно образующей второго зеркала и проходящих каждая со стороны разноименного зеркала вне объема резонатора, а на торцах последнего, за пределами межфокусных областей, введены дополнительные зеркальные элементы с профилями, имеющими фазовые центры. При этом поверхности введенных зеркальных элементов образованы вращением их профилей вокруг первой оси, а сами указанные элементы установлены таким образом, что фазовый центр профиля каждого совмещен с ближайшим к нему периферийным фокусом профиля первого зеркала.

В многофокальном отрытом резонаторе по крайней мере один из дополнительных зеркальных элементов может быть выполнен с профилем дуги эллипса и прямой, совмещенной с малым осью последнего и перпендикулярной образующей профиля второго зеркала.

Кроме того, по крайней мере один из дополнительных зеркальных элементов может быть выполнен с профилем дуги окружности, центр которой совмещен с ближайшим периферийным фокусом первого зеркала.

Для осуществления частотной подстройки один из дополнительных зеркальных элементов или его часть могут быть установлены с возможностью перемещения вдоль образующей профиля второго зеркала.

Сопоставительный анализ с прототипом и аналогом показывает, что предложенное устройство отличается наличием новых признаков, обеспечивающих формирование устойчивого добротного колебания с большим числом волновых фокусов. Поэтому оно соответствует критерию изобретения "новизна".

Анализ патентных и научно-технических источников указывает на то, что отличительные признаки предложенного технического решения не известны, что свидетельствует о его соответствии критерию "Существенные отличия".

На фиг.1-3 изображен p-фокальный ОР (p=1,2,3,...) с дополнительными зеркальными элементами эллиптического и линейного профиля; на фиг.4 - 5 - фокальный ОР (p= 5) с дополнительными зеркальными элементами кругового профиля.

Прямые траектории лучей (слева направо) указаны сплошными линиями, обратные (справа налево) - штриховыми; начальный и конечный участки циклической траектории, замкнутой в фокусе-источнике f₁, обозначены сдвоенными стрелками.

Многофокальный открытый резонатор содержит первое зеркало 1 с профилем 2 в виде системы софокусных эллипсов и второе зеркало 3 с профилем 4 в виде прямой линии, проходящим через фокусы зеркала 1. Зеркала 1,3 выполнены с поверхностями вращения их профилей 2, 4 вокруг соответствующих осей 0₁0'₁ и 0₂0'₂, ориентированных параллельно образующей профиля 4 зеркала 3, при этом обе оси проходят вне объема резонатора: ось 0₁0'₁ - со стороны зеркала 3, а ось 0₂0'₂ - со стороны зеркала 1. Характерные сечения резонатора в плоскостях, перпендикулярных осям вращения, приведены на фиг.1-3. На торцах резонатора, за пределами междуфокусных областей f₁...f_p, введены дополнительные зеркальные элементы 5 с профилями 6, имеющими фазовые центры. Поверхности дополнительных зеркальных элементов 5 выполнены в виде фигур вращения их профилей 6 вокруг оси 0₁0'₁ зеркала 1, а сами дополнительные зеркальные элементы 5 установлены так, что фазовый центр каждого совмещен с ближайшим к нему периферийным фокусом f₁ или f_p профиля 2 зеркала 1.

Дополнительные зеркальные элементы 5 могут быть выполнены с профилями 6 в виде дуги эллипса и прямой, совмещенной с малой осью этого эллипса и перпендикулярной образующей профиля 4 зеркала 3 (см. фиг.1-3). Кроме того, зеркальные элементы 5 могут быть выполнены с профилями 6 в виде дуги окружности (см. фиг.4), центр кривизны (фазовый центр) которой совмещен с периферийным фокусом профиля 2 зеркала 1. Возможно также использование конструктивно различных дополнительных зеркальных элементов 5 в одном многофокальном ОР.

Один или оба дополнительных зеркальных элемента 5 могут быть установлены с возможностью перемещения в направлении образующей профиля 4 зеркала 3.

Работает предложенный многофокальный ОР следующим образом. Расходящийся из фокуса-источника f₁ поток волновой энергии попадает на поверхность зеркала 1. Один из лучей расходящегося потока, выйдя из фокуса под некоторым начальным углом α₁^н относительно профиля 4 зеркала 3, проходит всю многофокальную структуру слева направо, последовательно отражаясь в точках фокусов f_i (i = 1,2,...р-1, р) от зеркала 3, поскольку всякий раз он отражается тем эллиптическим участком поверхности зеркала 1, из фокуса которого он вышел. После отражения зеркалом 3 в периферийном фокусе f_p зеркала 1 луч попадает на поверхность правого зеркального элемента 5, фазовый центр профиля 6 которого совмещен с периферийным фокусом f_p зеркала 1. В результате отражения поверхностью дополнительного зеркального элемента луч изменяет направление распространения в структуре на обратное так, что вновь попадает в этот же периферийный фокус f_p зеркала 1, поскольку с ним совмещен фазовый центр дополнительного зеркального элемента 5. После отражения от зеркала 3 в фокусе f_p обратный луч попадает на поверхность периферийного эллиптического участка зеркала 1, которому принадлежит фокус f_p. Этим эллиптическим участком луч отражается в фокус f_p-1 на поверхности зеркала 3 и далее, поочередно отражаясь от эллиптических поверхностей зеркала 1 и в точках фокусов на поверхности зеркала 3, луч в обратной последовательности проходит все фокусы многофокальной структуры. После отражения от зеркала 3 в точке фокуса f₁ луч попадает на поверхность левого дополнительного зеркального элемента 5, фазовый центр которого совмещен с левым периферийным фокусом f₁ зеркала 1. Аналогично правому левый зеркальный элемент 5 изменяет направление распространения луча так, что он вновь проходит через его фазовый центр - фокус f₁ зеркала 1, причем угол α₁^к прихода его в точку f₁ оказывается связанным с начальным углом α₁^н выхода его из этой же точки в начале цикла соотношением α₁^к = 180^о - α₁^н (справедливость этого утверждения можно строго показать средствами аналитической геометрии). Поэтому вторичный выход луча из точки f₁, соответствующий началу второго цикла обхода структуры, происходит под углом α₂^н=α₁^н , и при произвольном числе n циклов обхода выполняется тождество α_n+1^н=α_n^н.

Таким образом, циклическая траектория каждого луча гомоцентрического пучка, характеризующего диаграмму направленности (ДН) источника возбуждения, самовоспроизводится в каждом циклическом обходе многофокальной структуры такого типа, что придает ей устойчивость и обеспечивает концентрирование волновой энергии во всех ее фокусах. Многократность обходов такой структуры по пространственно стабильным траекториям обеспечивает и многократную интерференцию волновых потоков на значительных участках пространственно развитой циклической траектории, что определяет повышение добротности структуры и тем самым возможность использования ее в качестве резонансной с большим числом волновых фокусов. Уменьшение потерь в плоскости, перпендикулярной плоскости профиля зеркала 1, обеспечивается введением в этом направлении квадратичной фазовой коррекции за счет выполнения поверхностей зеркал 1,3 в виде фигур вращения вокруг соответствующих осей, расположенных по разные стороны резонансного объема.

При выполнении одного из дополнительных зеркальных элементов с профилем эллипса и прямой, совмещенной с его малой осью и перпендикулярной линии профиля 4 зеркала 3 (см.фиг.1-3) отраженный эллиптической поверхностью элемента 5 луч направляется в ее второй фокус (правый крестик). Его приходу в этот фокус препятствует зеркало 7, прямолинейный профиль которого, являющийся частью общего профиля 6 дополнительного зеркального элемента 5, совмещен с малой осью эллиптической части профиля этого элемента 5. Поскольку малая ось эллипса есть ось его зеркальной симметрии, то отраженный зеркалом 7 луч приходит во внутренний фокус эллиптической дуги элемента 5 - фазовый цент последнего, совмещенный с периферийным фокусом f_p многофокальной структуры. После отражения от зеркала 3 в фокусе f_р луч в обратной последовательности проходит все фокусы структуры. Аналогично происходят переотражения луча в конце цикла - на левом дополнительном зеркальном элементе 5.

При выполнении дополнительных зеркальных элементов (или по крайней мере одного из них) с профилем в виде дуги окружности (см. фиг.2), центр кривизны которой (фазовый центр) совмещен с периферийным фокусом многофокальной структуры, вышедший, например, из фокуса f₅ луч отражается поверхностью правого элемента 5 точно в обратном направлении на фокусе f₅ и в обратной последовательности, пройдя все фокусы структуры по обратной траектории, совпадающей с прямой траекторией, падает на поверхность левого зеркального элемента 5, где аналогично меняет направление распространения и приходит в фокус-источник f₁. Второй и все последующие циклы переотражений этого луча также происходят по траекториям, совпадающим пространственно с траекторией первого цикла, так как выполняется условие α_n+1^н=α_n^н. Поэтому в многофокальном ОР, у которого дополнительные зеркальные элементы имеют профиль дуги окружности, формируются добротные собственные колебания с волновыми фокусами во всех геометрических фокусах структуры.

Частотная подстройка в предложенном многофокальном ОР, помимо известного метода изменения расстояния между зеркалами 1 и 3, может осуществляться также и перемещением дополнительного зеркального элемента или его части в направлении вдоль образующей профиля 4 зеркала 3, поскольку при этом изменяется длина циклической траектории. Для варианта ОР по фиг.1 частотную подстройку целесообразно производить перемещением зеркала 7 относительно эллиптической части элемента 5, так как последний технологически проще изготавливать одновременно с эллиптическими поверхностями зеркала 1.

Экспериментальные исследования, проведенные в 4-миллиметровом диапазоне для 5-фокальной структуры-прототипа и заявляемого 5-фокального ОР (вариант фиг. 1), изготовленных с одинаковыми параметрами а, ε и радиусами вращения одноименных зеркал, показали, что при одинаковом количестве фокусных максимумов в полевых распределениях обеих структур (у поверхности зеркала 3 вдоль образующей профиля 4) предложенный многофокальный ОР имеет добротность, превосходящую добротность прототипа более чем в 3 раза.

Формула изобретения

1. МНОГОФОКАЛЬНЫЙ ОТКРЫТЫЙ РЕЗОНАТОР, содержащий первое зеркало с образующей в виде системы софокусных эллипсов и второе зеркало с прямолинейной образующей, проходящей через фокусы первого зеркала, отличающийся тем, что, с целью повышения добротности, первое и второе зеркала выполнены в виде тел вращения вокруг первой и второй осей, ориентированных параллельно прямолинейной образующей профиля второго зеркала и расположенных каждая со стороны разноименного зеркала вне объема, заключенного между первым и вторым зеркалами, а на торцах зеркал установлены дополнительные зеркальные элементы, фазовый центр которых совмещен с ближайшим к нему фокусом первого зеркала, а их поверхность образована вращением их образующей вокруг первой оси.

2. Резонатор по п. 1, отличающийся тем, что по крайней мере одним из дополнительных зеркальных элементов имеет образующую в виде дуги эллипса и прямой, совмещенной с малой осью дуги эллипса, перпендикулярной к образующей второго зеркала.

3. Резонатор по п.1, отличающийся тем, что по крайней мере один из дополнительных зеркальных элементов имеет образующую в виде дуги окружности, центр кривизны которой совмещен с ближайшим к ней фокусом первого зеркала.

4. Резонатор по пп.1 - 3, отличающийся тем, что, с целью частотной подстройки, по крайней мере один из дополнительных зеркальных элементов или его часть установлены с возможностью перемещения вдоль прямолинейной образующей второго зеркала.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4