SU982479A1

SU982479A1 - Open resonator

Info

Publication number: SU982479A1
Application number: SU813252676A
Authority: SU
Inventors: В.П. Сазонов
Original assignee: Предприятие П/Я А-1067
Priority date: 1981-02-26
Filing date: 1981-02-26
Publication date: 1991-09-30

Abstract

1. ОТКРЫТЫЙ РЕЗОНАТОР дл ,электронного СВЧ-прибора, содержащий два зеркала, расположенных на одной .оси друг против друга, одно из которых вогнутое, и устройство св зи с внешним волноводом, отличающийс тем, что, с целью обеспечени эффективного кратковременного ;- взаимодействи электронов с высокочастотным полем резонатора, второе . зеркало выполнено в виде рупора с подсоединенным к нему короткозамкнутым Изобретение относитс к электронной технике, в частности к открытьм резонаторам дл электронных СВЧ приборов . Известны открытые резонаторы, состо щие из двух зеркал. В миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин вЪлн они имеют размеры значительно больше длины волны , изготовление их сравнительно несложно , они легко перестраиваютс , а главное имеют высокую добротность. отрезком волновода, в противоположных стенках которого выполнены отверсти дл пропускани электронов, при этом центр радиуса кривизны первого вогнутого зеркала размещен внутри рупора на общей оси зеркал. 2.Резонатор по п. 1, отличающийс тем, что размеры рупора выбраны в соответствии со следующими соотношени ми: Ц,,, где Dp - диаметр раскрыва рупора; 9 - угол раскрыва рупора, равный углу между осью рупора и касательной к образующей (ру пора) в точке пересечени (Л ее с линией раскрыва рупора; Лр - рабоча длина волны. 3.Резонатор по п. 1, отличающийс тем, что первое вогнутое зеркало имеет два различных главных радиуса кривизны. CD 00 ю 4 со Котора не падает, а увеличиваетс с укорочением длины волны. Именно благодар этим качествам открытые резонаторы наход т широкое применение в радиоэлектронике и в квантовой радиофизике. Открытые резонаторы используютс и в электровакуумных приборах. Наиболее близким техническим решением вл етс , открытый резонатор дл оротрона, содержащий два зеркала, расположенных по одной оси друг про1. OPEN RESONATOR for an electronic microwave device containing two mirrors located on the same axis against each other, one of which is concave, and a communication device with an external waveguide, characterized in that, in order to provide an effective short-term; electrons with a high-frequency field of the resonator, the second. the mirror is designed as a horn with a short-circuited connected to it. The invention relates to electronic equipment, in particular, to open resonators for electronic microwave devices. Open resonators consisting of two mirrors are known. In the millimeter and submillimeter ranges of wavelengths, they have dimensions much larger than the wavelength, they are relatively easy to make, they are easily rebuilt, and most importantly, they have a high quality factor. a waveguide section, in the opposite walls of which holes are made to transmit electrons, while the center of curvature radius of the first concave mirror is placed inside the horn on the common axis of the mirrors. 2. A resonator according to claim 1, characterized in that the dimensions of the horn are chosen in accordance with the following relationships: C ,,, where Dp is the diameter of the aperture of the horn; 9 - horn opening angle equal to the angle between the axis of the horn and the tangent to the generator (hub) at the intersection point (L is with its horn opening line; Lr is the working wavelength. 3. The resonator according to claim 1, characterized in that the first concave The mirror has two different principal radii of curvature. CD 00 4 4 from Kotor does not fall, but increases with shortening of the wavelength. It is precisely because of these qualities that open resonators are widely used in radio electronics and in quantum radiophysics. Open resonators are also used in vacuum tubes. . The closest technical solution is, an open resonator for orotron comprising two mirrors, one placed on each axis about

Description

тив друга, одно из которых вогнутое, и устройство св зи с внешним волново дом. На другом зеркале выполнена дифракционна структура,вдоль которой движутс электроны и взаимодействуют с замедленной волной. Здесь использу етс принцип длительного взаимодействи электронов с электромагнитным полем. Этот принцип широко используетс при построении ламп с бегущей волной или ламп с обратной волной. Нар ду с принципом длительного вз имодействИ в электронике широко используетс также принцип кратковреме ного взаимодействи электронов с электромагнитным полем. На этом прин ципе построены различные типы клистр нов и р д других приборов. Открытые резонаторы, которые используютс в гиротронах и оротронах, а также другие известные открытые резонаторы не дают возможности осутце |ствить кратковременное (т.е. малое по сравнению с периодом колебаний) взаимодействие электронов с электромагнитным полем резонатора, так как все размеры в этих резонаторах велики по сравнению с длиной волны, и при практически приемлемых величинах напр жений (меньше ста киловольт) электроны будут преодолевать такое рассто ние за несколько периодов колебаний , что не эффективно дл прибо ров с кратковременным взаимодействием . Целью изобретени вл етс создание такой конструкции открытого резо натора в миллиметровом и субмиллимет ровом диапазонах длин волн, котора обеспечивала бы возможность кратковременного взаимодействи электронов с высокочастотным полем резонатора при обычно используемых напр жени х и при этом обеспечивала бы высокую добротность, простоту настройки и большие габариты резонатора по сравн нию с длиной волны. Указанна цель достигаетс тем, что в открытом резонаторе, содержащем два зеркала, расположенных на од ной оси друг против друга, одно из которых выполнено в виде вогнутой поверхности, и устройство св зи с внешним волноводом, другое зеркало выполнено в виде рупора с присоединенным к нему короткозамкнутым отрез ком волновода, в противоположных сте как которого выполнены отверсти дл пропускани электронов, при этом центр радиуса кривизны первого вогнутого зеркала размещен внутри рупора на общей оси зеркал. Оптимальный диаметр рупора D. определ етс выражением ,, де длина волны; 0 - угол раскрыва рупора, равный углу между осью рупора и касательной к образуницей . (рупора) в точке пересечени ее с линией раскрыва рупора . Первое вогнутое зеркало может иметь два различных главных радиуса кривизны . В предложенной конструкции резонатора имеетс область внутри волновода (например, перпендикул рно широкой стенке широкого волновода, работающего на основной волне), которую электроны при обычных напр жени х, используеьв )1х в электронных приборах, могут пролететь за врем значительно меньшее периода высокочастотных колебаний. Это необходимо дл эффективной работы электронного прибора клистронногр типа, а также некоторых других приборов. Отверстие дп св зи резонатора с внешним волноводом может располагатьс в центре сферического зеркала. На фиг. ЫЗ даны варианты конструкций предложенного резонатора. Резонатор содержит сферическое зеркало 1, рупор 2, отрезок 3 одномодового волновода, отверсти 4 в стенках волновода дл прохода электронов , короткозанкнутую стенку 5, электронный поток б, силовые линии 7 электрического пол резонатора, отверстие 8 св зи в сферическом зеркале , внешний волновод 9. Электромагнитные колебани основного вида в предлагаемом открытом резонаторе формируютс следуюп им образом . Электромагнитна волна возбулщени , например, электронным потоком, проход щим через отверсти 4 (которые запредельны дп возбуждаемых колебаний ) , имеет возможность распростран тьс в сторону рупора. В рупоре 2 волноводна волна плавно преобразуетс в сферическую расход щуюс волну, котора излучаетс из рупора и движетс в открытом пространстве в сторону зеркала 1. Отразившись от вогнутого сферического зеркала, эта волна превращаетс в сход щуюс волну, котора движетс в сторону piynopa 2, входит в него -и движетс в сторону волновода. Дойд по волноводу до закоротки , отражаетс от нее и весь про цесс повтор етс . В результате интерференции волн, движущихс в разных направлени х, в системе устанавхшваетс сто ча волна. Описанный процесс возникает лишь при определенных соотношени х rg метрических размеров рупора и сферического зеркала. Использу теорию открытых резонаторов можно оценить ,эти размеры. Так как в резонаторе устанавливаетс сто ча волна, то можно предполо жить, что в рупоре узел сто чей волны электрического пол волны, исход щей из горловины Og рупора (фиг. 3), находитс на сферической поверхности SP в раскрыве рупора. Расположив на этой ; поверхности металлический экран мы не изменим граничных условий и от системы рупор-сферическое зеркало перейдем к эквивалентной системе выпуклое сферическое зеркало - вогнутое сферическое зеркало. Радиусы кривизны этих зеркал - R и R, рассто ние между зеркалами - d. Из теории открытых резонаторов известно , что в системе выпукло-вогнутых сферических зеркал возможно возникновение устойчивых ксшебаний с каустиками (т.е. без излучени электромагнитной энергии за пределы прост ранства между зеркалами) в том случае , если выполн ютс соотношени Дл предложенной системы вогнутое сфе рическое зеркало-рупор это правило образований устойчивых колебаний можно сформулировать так: колебани в системе вогнутое сферическое зеркалорупор будут устойчивь1ми, т.е. локализованными между зеркалами, в том случае , если центр радиуса кривизны сферического зеркала (точка О, ) расположен на оси внутри рупора в промежутке между горловиной, вл ющейс центром радиуса кривизны фронта волны в руцоре , (точка 02) и раскрывом рупора (точка 04). Из теории открытых резонаторов следует, что резонансна длина волны предложенного резонатора f(, приближенно .определ етс по формуле p-(d-bR,.p), о где п - целое число; - длина волны в волноводе. Мен рассто ние между зеркалом и рупором d, можно произвести перестройку резонансной длины волны резонатора. Из соотношени (1) следует, что перестройка резонанса возможна только при таких перемещени х зеркала относительно рупора, при которых центр кривизны зеркала не выходит за пределы рупора. Дл того, чтобы волна, отраженна от сферического зеркала, полностью вошла в рупор и дифракционные потери были малы, диаметр рупора Up и зеркала D должны быть св заны соотношением Dp Dj Ad-Tlp, (3) которое вытекает из общей теории открытых резонаторов. Оптимальное значение диаметра рупора Dp можно оценить из услойи оптимального распределени фазы пол по поверхности раскрыва рупора. Это условие приводит .к следующему значению Dp 1,, где 0 - угол раскрыва рупора, равный углу между осью рупора и касательной к образующей (рупора ) в точке пересечени ее с линией раскрыва рупора.. Добротность Q предложенного типа резонатора можно оценить по формуле l(d+Ri+ l Д о суммарные относительные потери энергии за один проход волны, которые складываютс из дифракционных потерь и джоулевых потерь в стенках волновода, рупора и сферического зеркала . Рассмотренный на фиг.1,2 открытый резонатор представл ет собой аксиально-симметричную систему, в которой главные радиусы кривизны взаш-шо перпендикул рных дуг EF и GH одинаковы. Принцип работы резонатора сохранитс и в том случае, если радиусы кривизны главных дуг будут . различны.another, one of which is concave, and a communication device with an external wave. On the other mirror there is a diffraction structure, along which electrons move and interact with the slow wave. Here, the principle of long-term interaction of electrons with an electromagnetic field is used. This principle is widely used in the construction of traveling wave tubes or reverse wave tubes. Along with the principle of long-term interaction, the principle of the short-term interaction of electrons with an electromagnetic field is also widely used in electronics. Various types of klystrins and a number of other devices are built on this principle. Open resonators, which are used in gyrotrons and orotrons, as well as other known open resonators, do not allow the short-term (i.e., small compared with the oscillation period) interaction of electrons with the electromagnetic field of the resonator, because all sizes in these resonators are large compared to wavelength, and at practically acceptable voltages (less than one hundred kilovolts), electrons will cover such a distance over several periods of oscillation, which is not effective for instruments with short timed interaction. The aim of the invention is to create such an open resonator design in the millimeter and submillimeter wavelength ranges, which would provide the possibility of short-term interaction of electrons with the high-frequency field of the resonator at commonly used voltages and at the same time would provide a high quality factor, versus wavelength. This goal is achieved by the fact that in an open resonator containing two mirrors located on one axis against each other, one of which is made in the form of a concave surface, and a device for communication with an external waveguide, the other mirror is made in the form of a horn with attached to it a short-circuited section of the waveguide, in the opposite directions of which holes for transmission of electrons are made, while the center of the radius of curvature of the first concave mirror is placed inside the horn on the common axis of the mirrors. The optimal diameter of the horn D. is determined by the expression, de wavelength; 0 - opening angle of the horn, equal to the angle between the axis of the horn and the tangent to the gauge. (horn) at its intersection with the opening line of the horn. The first concave mirror may have two different principal radii of curvature. In the proposed resonator design, there is a region inside the waveguide (for example, perpendicular to the wide wall of a wide waveguide operating on the main wave) that electrons with ordinary voltages using 1x in electronic devices can fly in a time significantly shorter than the period of high-frequency oscillations. This is necessary for the effective operation of an electronic device of a klystron type, as well as some other devices. Hole dp of the resonator coupling with the external waveguide may be located in the center of the spherical mirror. FIG. З3 given options for the design of the proposed resonator. The resonator contains a spherical mirror 1, a horn 2, a segment 3 of a single-mode waveguide, holes 4 in the walls of a waveguide for the passage of electrons, a short-circuited wall 5, electron flow b, power lines 7 of the electric resonator field, an opening 8 for communication in a spherical mirror, an external waveguide 9. Electromagnetic oscillations of the main type in the proposed open resonator are formed in the following way. An electromagnetic excitation wave, for example, an electron flux passing through apertures 4 (which are beyond the bounds of excited oscillations), has the ability to propagate in the direction of a horn. In the horn 2, the waveguide wave smoothly transforms into a spherical diverging wave, which is emitted from the horn and moves in the open space towards the mirror 1. Reflecting from the concave spherical mirror, this wave turns into a converging wave that moves towards the piynopa 2, enters into it is moving towards the waveguide. The waveguide is short-circuited, reflected from it, and the whole process is repeated. As a result of the interference of waves moving in different directions, a standing wave is established in the system. The described process occurs only at certain ratios of the metric dimensions of the horn and the spherical mirror. Using the theory of open resonators, one can estimate these dimensions. Since a standing wave is established in the resonator, it can be assumed that the horn node of the standing wave of the electric field wave emanating from the mouth of the Og horn (Fig. 3) is located on the spherical surface SP in the aperture of the horn. Positioning on this; the surface of the metal screen, we will not change the boundary conditions and from the system a horn-spherical mirror will move to the equivalent system of a convex spherical mirror - a concave spherical mirror. The radii of curvature of these mirrors are R and R, the distance between the mirrors is d. From the theory of open resonators, it is known that in a system of convex-concave spherical mirrors, the occurrence of stable cs with caustics (i.e., without radiating electromagnetic energy beyond the space between the mirrors) is possible if the following conditions are true for the proposed system A mirror horn is a rule of formation of stable oscillations that can be formulated as follows: oscillations in a system of a concave spherical mirrorhead will be stable, i.e. localized between the mirrors, if the center of the radius of curvature of the spherical mirror (point O) is located on the axis inside the horn between the neck, which is the center of the radius of curvature of the wave front in the circler (point 02) and the mouth of the horn (point 04) . From the theory of open resonators, it follows that the resonant wavelength of the proposed resonator f (approximately is determined by the formula p- (d-bR, .p), about where n is an integer; is the wavelength in the waveguide. The distance between the mirror is and horn d, it is possible to tune the resonant wavelength of the resonator. From relation (1) it follows that resonance tune is possible only with such displacements of the mirror relative to the horn, at which the center of curvature of the mirror does not extend beyond the horn. from spherical mirror completely entered the horn and the diffraction loss was small, the diameter of the horn Up and the mirrors D should be related by the relation Dp Dj Ad-Tlp, (3) which follows from the general theory of open resonators. The optimal value of the diameter of the horn Dp can be estimated from the optimal condition the distribution of the phase of the field over the horn opening surface. This condition leads to the following value Dp 1, where 0 is the opening angle of the horn equal to the angle between the axis of the horn and the tangent to the generator (horn) at its intersection point with the horn opening line. Q-factor proposed This type of resonator can be estimated by the formula l (d + Ri + l D o the total relative energy loss per wavelength, which consists of diffraction losses and joule losses in the walls of the waveguide, horn and spherical mirror. The open resonator in FIG. 1.2 is an axially symmetric system in which the main radii of curvature of the rear-to-perpendicular arcs of EF and GH are the same. The principle of operation of the resonator is preserved even if the radii of curvature of the main arcs are. are different.

11,1 фиг. 4 показан открытый резонапр , у которого радиусы кривизны главных дуг зеркала LK и MN различны. PyiKjp в .этом случае становитс пираьшдальным . Конфигураци рупора при этом должна выбиратьс так, чтобы соотношение (1) выполн лось дл каждо го главного радиуса кривизны зеркала и дл каждого соответствующего главного радиуса кривизны фронта волны в раскрыве рупора.11.1 of FIG. 4 shows an open resonance, in which the radii of curvature of the main arcs of the LK and MN mirrors are different. PyiKjp in this case becomes pirashdalnym. The horn configuration in this case should be chosen so that relation (1) is fulfilled for each main radius of curvature of the mirror and for each corresponding main radius of curvature of the wave front in the aperture of the horn.

На фиг 5 показан предельный случай , когда радиус кривизны горизонтальной дуги CD равен бесконечности, а вертикальной дуги АВ - конечен. В .этом случае зеркало становитс цилиндрическим , а рупор секторным. Резонаторы , показанные на фиг. 3, позвол ют увеличить размер пространства вза 1модействи электронов с высокочастотным полем резонатора.FIG. 5 shows the limiting case when the radius of curvature of a horizontal arc CD is infinity and the vertical arc AB is finite. In this case, the mirror becomes cylindrical, and the horn is sector-wise. The resonators shown in FIG. 3 allows to increase the size of the interaction space of electrons with the high-frequency field of the resonator.

Длина рупора, т.е. рассто ние (фиг. 3), определ етс необходимым диапазоном перестройки резонатора , требуемым согласованием перехода рупор-волновод, необходимой чистотой типа волны, распростран ющейс в рупоре, величиной допустимых потерь в стенках рупора и р дом факторов , которые необходимо учитывать в каждом конкретном случае. В соответствии со сказанным в общем случае закон изменени поперечного сечени рупора по длине оси может быть самым различным. Дл примера приведем несколько законов. Наиболее простым и технологичным вл етс линейный закон, т.е. простой конический рупор (фиг. 6). В том случае, когда необходимо иметь малую длину рупора при сохранении хорошего согласовани более целесообразно использовать экспоненциальный , бипоминальный или чебьшевский (фиг. 7) закон измерени поперечного сечени рупора.The length of the horn, i.e. the distance (fig. 3) is determined by the necessary tuning range of the resonator, the required matching of the horn-waveguide transition, the required purity of the wave type propagating in the horn, the value of the allowable loss in the horn walls and a number of factors that must be considered in each case . In accordance with the above, in general, the law of variation of the horn cross section along the axis length can be very different. For example, here are some laws. The simplest and most technological is the linear law, i.e. simple conical horn (Fig. 6). In the case when it is necessary to have a small length of the horn while maintaining good agreement, it is more expedient to use the exponential, bipominal or Chebyshevsky (Fig. 7) law of measuring the cross section of the horn.

Форма поперечного сечени волновода , подсоедин емого к рупору, также может быть различной: пр моугольной, круглой, овальной, П или Н-образной и др. в зависимости от требований, предъ вл емых к пространству взаимодействи (фиг. 8, 9). В противоположных стенках волновода могут быть выполнены отверсти дл прохода электронов . Дл улучшени взаимодействи электронов с высокочастотным полем в отверсти могут быть введены отрезки труб (фиг. 10). Одна параThe cross-sectional shape of the waveguide connected to the horn can also be different: rectangular, round, oval, P or H-shaped, etc., depending on the requirements for the interaction space (Fig. 8, 9). Holes for the passage of electrons can be made in the opposite walls of the waveguide. In order to improve the interaction of electrons with a high-frequency field, pipe sections can be introduced into the holes (Fig. 10). One pair

или несколько пар отверстий в противоположных стенках волновода (фиг.11) дл пропуска электронов должны быть расположены так, чтобы обеспечить наиболее эффективное взаимодействие электронного потока с полем резонатора . Диаметр отверстий.D должен быть таков, чтобы предотвратить через них заметную утечку электромагнитной энер гик из резонатора. Дп этого, в частности , необходимо, чтобы DO 0,5А or several pairs of holes in opposite walls of the waveguide (FIG. 11) for the passage of electrons should be located so as to ensure the most effective interaction of the electron flow with the field of the resonator. The diameter of the holes D should be such as to prevent through them a noticeable leakage of the electromagnetic energy from the resonator. Dp this, in particular, it is necessary that DO 0,5A

Например, в случае пр моугольного волновода отверсти располагаютс в центре широкой стенки волновода ни рассто нии Sm от закоротки, приближенно равным (2m+1)j/4, где ,1, ...For example, in the case of a rectangular waveguide, the holes are located in the center of the wide wall of the waveguide, nor the distance Sm from the short circuit, approximately equal to (2m + 1) j / 4, where, 1, ...

В короткозамыкакндей торцевой стенке волновода также, как в сферическом зеркале, можно расположить отверстие св зи, через которое резонатор может быть св зан с волноводом (фиг. 12). Если вместо закоротки в волноводе расположить подвижный короткозамыкающий поршень, то, измен длину отрезка волновода t, можно перестраивать резонансную длину волны резонатора (фиг. 13)..In the short end of the waveguide, as well as in a spherical mirror, a communication hole can be positioned through which the resonator can be connected to the waveguide (Fig. 12). If instead of short-circuiting in the waveguide the movable short-circuiting piston is located, then, by changing the length of the waveguide section t, the resonant wavelength of the resonator can be rearranged (Fig. 13) ..

Предложенные резонаторы, которые можно назвать фркусирукмще открытые резонаторы (фор-ы),смогут найти широкое применение в приборах клистронного типа, используемых в радиолокации , радиосв зи, физике, биологии, медицине, в радиоспектроскопии при исследовании свойств различных веществ в электромагнитном поле миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов рлин волн.The proposed resonators, which can be called open-ended resonators (for-s), can be widely used in klystron-type devices used in radar, radio, physics, biology, medicine, and radio-spectroscopy in the study of the properties of various substances in the millimeter and submillimeter electromagnetic fields. Rlin wavebands.

Лабораторные испытани макета фокусирующего открытого резонатора показали , что его нагруженна добротность в 3 мм диапазоне длин волн составл ет ,5,10, т.е. почти в 10 раз больше чем у обычных замкнутых резонаторов в этом диапазо 1е длин волн. Высока добротность резонатора позвол ет улучшить взаимодействие электронного потока с электромагнитным полем резонатора , подн ть контурный КПД и КПД прибора , увеличить стабильность частоты клистронных генераторов миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн. Резонатор прост в изготовлении и не имеет побочных резонансных колебаний.Laboratory tests of the focusing open resonator layout showed that its loaded Q-factor in the 3 mm wavelength range is 5.10, i.e. almost 10 times more than ordinary closed resonators in this wavelength range 1e. The high Q-factor of the resonator allows improving the interaction of the electron flow with the electromagnetic field of the resonator, raising the contour efficiency and efficiency of the device, increasing the frequency stability of the millimeter and submillimeter wavelength klystron generators. The resonator is easy to manufacture and has no resonant oscillations.

..

/7 7777777 / 7 7777777

dtdt

///////A/////// A

Фиг, бFIG, b

Ог Og

ЬидААLIDAA

Claims

1. OPEN RESONATOR for an electronic microwave device, containing two mirrors located on the same axis opposite one another, one of which is concave, and a communication device with an external waveguide, characterized in that, in order to ensure effective short-term • interaction of electrons with by the high-frequency field of the resonator, the second mirror is made in the form of a horn with a short-circuited segment of the waveguide connected to it, in the opposite walls of which there are holes for transmitting electrons, with the center of the radius of the curve The first concave mirror is located inside the horn on the common axis of the mirrors.

2. The resonator under item ^ characterized in that the size of the horn is selected in accordance with the following ratios:

1), = 1.25 ^ / 6, where Dp is the diameter of the mouth of the mouth;

θ is the aperture angle of the horn equal to the angle between the axis of the horn and the tangent to the generator (horn) at the point of its intersection with the aperture of the horn;

'λρ is the working wavelength.

3. Resonator pop. 1, characterized in that the first concave mirror has two different principal ω

radius of curvature.