RU2014662C1

RU2014662C1 - Open resonator of surface wave

Info

Publication number: RU2014662C1
Authority: RU
Inventors: Л.М. Бузик; С.А. Чурилова
Original assignee: Радиоастрономический институт АН Украины
Priority date: 1991-04-25
Filing date: 1991-04-25
Publication date: 1994-06-15

Abstract

FIELD: SHF cavity resonators. SUBSTANCE: open resonator of surface wave has periodic decelerating system in the form of flat comb with rectangular cross-section of grooves and output device. Periodic decelerating system is composed of replicated groups of grooves, each having depth h′ within 1.3h<h′<2h, where h is depth of rest of grooves of groups. All grooves have identical width. Ends of periodic decelerating system terminate in matched load. Number of grooves in groups equals five. Length 1 and width a of periodic decelerating system lies within 3λ<l<4λ 0.5λ<a<λ, where l is length of wave medium within range. Output device is fabricated in the form of rectangular horn. EFFECT: increased working volume of resonator of surface wave with keeping of wide frequency range. 3 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к СВЧ, а более конкретно к объемным резисторам СВЧ, и может быть использовано в качестве колебательной системы электронного прибора СВЧ. The invention relates to microwave, and more particularly to volume resistors microwave, and can be used as an oscillatory system of an electronic microwave device.

Известен резонатор поверхностной волны, содержащий отрезок линии передачи поверхностной волны и отражатели волн на его концах. A known surface wave resonator comprising a segment of a surface wave transmission line and wave reflectors at its ends.

В упомянутой работе резонатор поверхностной волны применяется для исследования свойств замедляющих систем резонансным методом. In the aforementioned work, the surface wave resonator is used to study the properties of slowing down systems by the resonance method.

Кроме того, такие резонаторы имеют и самостоятельное значение, в частности, они нашли применение в резонансных ЛОВ. In addition, such resonators have independent significance, in particular, they have found application in resonant BWTs.

Ввиду наличия отражателей волн на концах линии поверхностной волны она приобретает свойства резонатора, имеющего ряд резонансных частот. Due to the presence of wave reflectors at the ends of the surface wave line, it acquires the properties of a resonator having a number of resonant frequencies.

Рабочим объемом резонатора поверхностной волны является область вблизи поверхности замедляющей системы толщиной, приблизительно равной длине замедленной волны на соответствующей частоте. Этот объем в резонансной ЛОВ является пространством взаимодействия между электронным потоком и высокочастотным полем. Благодаря резонансным свойствам колебательной системы повышается амплитуда поля и, следовательно, мощность взаимодействия электронного потока с полем поверхностной волны и эффективность работы всего прибора в целом. The displacement volume of a surface wave resonator is a region near the surface of the slow wave system with a thickness approximately equal to the length of the slow wave at the corresponding frequency. This volume in a resonant BWT is the interaction space between the electron beam and the high-frequency field. Owing to the resonant properties of the oscillatory system, the field amplitude increases and, consequently, the interaction power of the electron beam with the surface wave field and the overall efficiency of the device.

Резонансные частоты резонатора поверхностной волны определяются условиями, при которых вдоль линии между отражателями укладывается целое число замедляющих полуволн. В связи с этим одним из недостатков резонатора поверхностной волны является сильное сгущение спектра собственных частот при увеличении длины резонатора, т.е. при увеличении его рабочего объема. Так, в резонансных ЛОВ число резонансных колебаний резонатора поверхностной волны может достигать несколько десятков. The resonant frequencies of the resonator of a surface wave are determined by the conditions under which an integer number of slowing half-waves is laid along the line between the reflectors. In this regard, one of the drawbacks of the surface wave resonator is the strong concentration of the eigenfrequency spectrum with increasing cavity length, i.e. with an increase in its working volume. So, in resonant BWTs, the number of resonant vibrations of a resonator of a surface wave can reach several tens.

Таким образом, повышение эффективности работы резонансной ЛОВ по сравнению с нерезонансной влечет за собой нежелательное сгущение спектра и сужение диапазона электронной перестройки. Для сохранения диапазона электронной перестройки в резонансной ЛОВ необходимо существенно ограничивать длину резонатора и, следовательно, его рабочий объем. Это отрицательно сказывается на эффективности всего прибора в целом. Thus, an increase in the operating efficiency of a resonant BWT compared with a non-resonant BWT entails an undesirable condensation of the spectrum and a narrowing of the range of electronic tuning. To maintain the range of electronic tuning in a resonant BWT, it is necessary to significantly limit the length of the resonator and, therefore, its working volume. This negatively affects the efficiency of the entire device as a whole.

Известны открытые резонаторы, размеры которых гораздо больше длины волны, а спектр их собственных частот разрежен по сравнению со спектрами замкнутых резонансных объемов тех же размеров. Новые свойства открытых резонаторов по сравнению с закрытым приобретает благодаря дифракционным явлениям в открытых областях резонансного объема. Open resonators are known, the dimensions of which are much larger than the wavelength, and the spectrum of their natural frequencies is sparse in comparison with the spectra of closed resonant volumes of the same sizes. Gets new properties of open resonators compared to closed ones due to diffraction phenomena in open regions of the resonant volume.

Наиболее близким по технической сущности из известных устройств к предлагаемому является выбранный в качестве прототипа открытый резонатор поверхностной волны, содержащий резонансную замедляющую систему, периодически повторяющиеся ячейки которой выполнены в виде открытых в полупространстве канавок и выходное устройство. Стенки волновода, в котором размещена замедляющая система, являются отражателями поверхностной волны. Работа такого резонатора осуществляется в полосе пропускания замедляющей системы. При этом число резонансных колебаний в указанном диапазоне достаточно велико и может достигать числа ячеек замедляющей системы. В связи с этим рабочая полоса частот отдельного резонанса находится в обратной зависимости от числа ячеек замедляющей системы. Поэтому в целом такая конструкция ограничивает длину резонансной системы и, следовательно, рабочий объем открытого резонатора поверхностной волны. The closest in technical essence of the known devices to the proposed one is the open surface cavity resonator selected as a prototype, containing a resonant slowdown system, the periodically repeating cells of which are made in the form of grooves open in the half-space and an output device. The walls of the waveguide in which the slowdown system is located are reflectors of the surface wave. The operation of such a resonator is carried out in the passband of the slowdown system. Moreover, the number of resonant oscillations in the indicated range is quite large and can reach the number of cells of the slowing system. In this regard, the working frequency band of a single resonance is inversely related to the number of cells of the slowing system. Therefore, in general, such a design limits the length of the resonance system and, therefore, the working volume of the open resonator of the surface wave.

Цель изобретения - увеличение рабочего объема открытого резонатора поверхностной волны при сохранении широкого частотного диапазона работы. The purpose of the invention is to increase the working volume of an open resonator of a surface wave while maintaining a wide frequency range of operation.

Поставленная цель достигается тем, что в открытом резонаторе поверхностной волны, содержащем резонансную замедляющую систему, периодически повторяющиеся ячейки которой выполнены в виде открытых в полупространство канавок, и выходное устройство, резонаторная система выполнена из повторяющихся групп ячеек, причем каждая группа состоит из нескольких канавок, по крайней мере одна из которых существенно, не менее чем на 30% по объему, отличается от остальных в группе, а концы резонаторной замедляющей системы нагружены на согласованные нагрузки. This goal is achieved by the fact that in an open resonator of a surface wave containing a resonant deceleration system, the periodically repeating cells of which are made in the form of grooves open into the half-space, and the output device, the resonator system is made of repeating groups of cells, each group consisting of several grooves, each at least one of which is significantly, not less than 30% by volume, different from the others in the group, and the ends of the resonator slow-down system are loaded with matched loads zki.

Канавки в ячейках резонаторной замедляющей системы могут быть выполнены прямоугольной формы. The grooves in the cells of the resonator retardation system can be made rectangular.

В открытом резонаторе поверхностной волны с канавками прямоугольной формы поперечного сечения число ячеек в группе может быть выбрано равным пяти, а одна канавка от остальных в группе отличается глубиной h¹, которая лежит в пределе 1,3h<h¹<2h, где h - глубина остальных канавок.In an open resonator of a surface wave with grooves of rectangular cross-sectional shape, the number of cells in the group can be chosen equal to five, and one groove from the others in the group differs in depth h ¹ , which lies in the limit of 1.3h <h ¹ <2h, where h is the depth other grooves.

Длина l резонаторной замедляющей системы и ее ширина а могут лежать в пределах 3 λ <l<40 λ ; 0,5λ <a<λ , λ где - средняя по диапазону работы длина волны. The length l of the resonator moderator and its width a can lie in the range 3 λ <l <40 λ; 0.5λ <a <λ, λ where is the wavelength average over the operating range.

Выходное устройство открытого резонатора поверхностной волны может быть выполнено в виде прямоугольного рупора, обращенного своим раскрывом к резонаторной замедляющей системе, а противоположным концом переходящим в прямоугольный выходной волновод таким образом, что широкий размер раскрыва рупора плавно переходит в узкую стенку прямоугольного выходного волновода. The output device of the open resonator of the surface wave can be made in the form of a rectangular horn facing its opening to the resonator slowdown system, and with the opposite end turning into a rectangular output waveguide so that the wide size of the mouth of the horn smoothly passes into the narrow wall of the rectangular output waveguide.

На фиг. 1 изображен предлагаемый резонатор; на фиг.2 - разрез А-А на фиг. 1, на фиг.3 - предлагаемый резонатор с выходным устройством в виде рупора; на фиг.4 - разрез Б-Б на фиг.3. In FIG. 1 shows the proposed resonator; figure 2 - section aa in fig. 1, figure 3 - the proposed resonator with the output device in the form of a horn; figure 4 is a section bB in figure 3.

Резонатор содержит резонаторную замедляющую систему 1, состоящую из периодически повторяющихся ячеек 2, содержащих прямоугольные канавки 3 объединенных в повторяющиеся группы, в которых по крайней мере одна канавка 4 существенно, не менее чем на 30% по объему, отличается от остальных. The resonator contains a resonator retardation system 1, consisting of periodically repeating cells 2, containing rectangular grooves 3 combined into repeating groups in which at least one groove 4 is significantly, not less than 30% by volume, different from the rest.

Выполнение резонаторной замедляющей системы таким образом обеспечивает условия для существования в такой колебательной системе резонансов. Указанное различие в объеме, по крайней мере одной канавки 4 в группе обеспечивает частотную зависимость дифракционных свойств поверхностной волны замедляющей системы на этой канавке. Эта зависимость является необходимым условием существования резонансных колебаний в предлагаемом резонаторе. Число этих колебаний не превышает числа ячеек в группе. Размещение на концах резонаторной системы согласованных нагрузок 5 исключает существование резонансных колебаний открытого резонатора поверхностной волны, связанных с отражениями от концов. The implementation of the resonator retardation system in this way provides the conditions for the existence of resonances in such an oscillatory system. The indicated difference in the volume of at least one groove 4 in the group provides a frequency dependence of the diffraction properties of the surface wave of the retardation system on this groove. This dependence is a necessary condition for the existence of resonant oscillations in the proposed resonator. The number of these fluctuations does not exceed the number of cells in the group. The placement at the ends of the resonator system of coordinated loads 5 excludes the existence of resonant vibrations of the open resonator of the surface wave associated with reflections from the ends.

Конкретная величина различия между ячейками замедляющей системы в группе зависит от выбранной формы канавки и в общем случае может быть либо рассчитана, либо найдена экспериментально. Для канавок прямоугольной формы поперечного сечения это может быть обеспечено выбором ее глубины h¹ в пределах 1,3h<h¹<2h.The specific difference between the cells of the retarding system in the group depends on the chosen shape of the groove and in the general case can either be calculated or found experimentally. For rectangular cross-sectional grooves, this can be achieved by choosing its depth h ¹ within 1.3h <h ¹ <2h.

Практическая длина открытого резонатора поверхностной волны зависит от особенности электронного прибора, в котором применяется этот резонатор. Так, в миллиметровом диапазоне длин волн длина l резонаторной системы лежит в пределах 3 λ <l<40 λ . Если в длинноволновой части диапазона для эффективной работы прибора достаточно иметь длину резонатора около 3 λ , то в коротковолновой части диапазона, где толщина пространства взаимодействия падает, для сохранения рабочего объема необходимо значительно увеличить длину резонатора, которая в этом случае может достигать 40λ . The practical length of an open resonator of a surface wave depends on the features of the electronic device in which this resonator is used. So, in the millimeter wavelength range, the length l of the resonator system lies in the range 3 λ <l <40 λ. If in the long-wavelength part of the range it is sufficient to have a resonator length of about 3 λ for the effective operation of the device, then in the short-wavelength part of the range, where the thickness of the interaction space falls, to preserve the working volume, it is necessary to significantly increase the length of the resonator, which in this case can reach 40λ.

Ширину резонаторной замедляющей системы при практической реализации следует ограничивать для предотвращения условий возбуждения в резонаторе волн высшего вида, имеющих две или более вариаций поля по ширине замедляющей системы. Расчеты показывают, что колебания высших типов не попадают в основную полосу пропускания резонаторной замедляющей системы уже при а- λ в коротковолновой части диапазона и при а= λ /2 в длинноволновой части диапазона. Таким образом для практических систем ширина замедляющей системы должна лежать в пределах λ /2<a< λ . The practical width of the resonator slowdown system should be limited in order to prevent the excitation conditions in the resonator of higher-type waves having two or more field variations across the width of the slowdown system. Calculations show that the higher types of oscillations do not fall into the main passband of the resonator slowdown system already at a - λ in the short-wave part of the range and at a = λ / 2 in the long-wave part of the range. Thus, for practical systems, the width of the retarding system should lie in the range λ / 2 <a <λ.

Выходное устройство выполнено в виде плавного волноводного перехода 6, одним концом связанного через щель 7 связи с резонаторной системой 1, а другим концом переходящим в прямоугольный выходной волновод 8. The output device is made in the form of a smooth waveguide transition 6, one end connected through a slit 7 of the connection with the resonator system 1, and the other end passing into a rectangular output waveguide 8.

На фиг.3 показан вариант исполнения резонатора, в котором выходное устройство открытого резонатора поверхностной волны выполнено в виде рупора 9, обращенного своим раскрывом 10 к резонаторной замедляющей системе 1 так, что широкий размер раскрывом 10 плавно переходит в узкую стенку прямоугольного выходного волновода 8. Figure 3 shows an embodiment of the resonator, in which the output device of the open resonator of the surface wave is made in the form of a horn 9, turned with its aperture 10 to the resonator slowdown system 1 so that the wide size of the aperture 10 smoothly passes into the narrow wall of the rectangular output waveguide 8.

Благодаря тому, что резонаторная система 1 выполнена из повторяющихся групп ячеек в виде открытых в полупространство канавок 3, по крайней мере одна из которых существенно отличается от остальных в группе, часть энергии поверхностной волны, распространяющейся в открытом резонаторе, за счет дифракции излучается в пространство над системой. За счет этого ввод энергии из резонатора может быть осуществлен непосредственно в направлении, перпендикулярном плоскости системы. Это может быть реализовано с помощью рупора 9, обращенного своим раскрывом 10 к системе 1. В электронных приборах, как правило, электрическое поле направлено вдоль направления распространения волны, поэтому переход от рупора 9 к выходному прямоугольному волноводу 8 должен осуществляться таким образом, что широкий размер раскрыва рупора 9, соответствующий длине резонаторной замедляющей системе 1, плавно переходит в узкую стенку прямоугольного выходного волновода 8. Due to the fact that the resonator system 1 is made of repeating groups of cells in the form of grooves 3 open in the half-space, at least one of which differs significantly from the others in the group, a part of the energy of the surface wave propagating in the open resonator is radiated into the space above due to diffraction system. Due to this, the energy input from the resonator can be carried out directly in the direction perpendicular to the plane of the system. This can be realized with the help of a horn 9, with its opening 10 facing the system 1. In electronic devices, as a rule, the electric field is directed along the direction of wave propagation, therefore, the transition from the horn 9 to the output rectangular waveguide 8 should be carried out in such a way that a wide size the mouth of the mouthpiece 9, corresponding to the length of the resonator slowdown system 1, smoothly passes into the narrow wall of the rectangular output waveguide 8.

Возбуждается в резонаторной замедляющей системе 1 волна в каждой группе ячеек 2 испытывает дифракцию на канавке 4, отличной от остальных канавок 3. В связи с частотной зависимостью дифракционных свойств поверхностной волны на определенных частотах, лежащих в полосе пропускания резонаторной замедляющей системы 1, возникают условия резонанса. Число резонансных колебаний при этом не превышает числа различных канавок 4 в группе. В то же время благодаря тому, что концы резонаторной замедляющей системы 1 нагружены на согласованные нагрузки 5, в резонаторе не создаются условия для возбуждения резонансов, связанных с отражениями от концов. Таким образом, в предлагаемом резонаторе число резонансных колебаний не зависит от его длины, а определяется структурой одной группы ячеек и не превышает их числа в группе. Это позволяет увеличить рабочий объем резонатора при сохранении широкой полосы его работы. In a resonator retardation system 1, a wave is excited in each group of cells 2 diffracts on a groove 4, which is different from the other grooves 3. In connection with the frequency dependence of the diffraction properties of a surface wave at certain frequencies lying in the passband of the resonator retardation system 1, resonance conditions arise. The number of resonant vibrations in this case does not exceed the number of different grooves 4 in the group. At the same time, due to the fact that the ends of the resonator slowdown system 1 are loaded on matched loads 5, the conditions for excitation of resonances associated with reflections from the ends are not created in the resonator. Thus, in the proposed resonator, the number of resonant oscillations does not depend on its length, but is determined by the structure of one group of cells and does not exceed their number in the group. This allows you to increase the working volume of the resonator while maintaining a wide band of its work.

Существование дифракционных потерь в открытом резонаторе поверхностной волны позволяет реализовать вывод энергии из резонатора не только через щель 7 связи в одной из канавок 3 или 4, плавный волноводный переход (см.фиг. 1) и выходной волновод 8, но и другими способами. Например, как показано на фиг. 3, вывод энергии может быть реализован через открытое пространство над резонаторной системой 1 с помощью рупора 9, обращенного к этой системе своим раскрывом 10 так, что благодаря выбранной ориентации в выходном прямоугольном волноводе 11 возбуждается основной рабочий тип волны Н10. The existence of diffraction losses in the open resonator of the surface wave allows one to realize the energy output from the resonator not only through the coupling gap 7 in one of the grooves 3 or 4, the smooth waveguide transition (see Fig. 1) and the output waveguide 8, but also by other methods. For example, as shown in FIG. 3, the energy output can be realized through an open space above the resonator system 1 with the help of a horn 9, which is turned to this system by its opening 10 so that, due to the selected orientation, the main working wave type H10 is excited in the output rectangular waveguide 11.

Таким образом, предлагаемый резонатор позволяет в несколько раз увеличить его рабочий объем при сохранении широкой полосы работы. Отличительные признаки предлагаемого резонатора позволяет увеличить его длину и тем самым обеспечить возможность работы соответствующих электронных приборов, в которых упомянутый резонатор используется в качестве колебательной системы. Особенно ценно это свойство в коротковолновой части миллиметрового диапазона, где в связи с малой толщиной пространства взаимодействия приходится увеличивать относительную длину прибора. Thus, the proposed resonator allows several times to increase its working volume while maintaining a wide band of work. Distinctive features of the proposed resonator allows to increase its length and thereby ensure the possibility of operation of the corresponding electronic devices in which the said resonator is used as an oscillatory system. This property is especially valuable in the short-wavelength part of the millimeter range, where due to the small thickness of the interaction space it is necessary to increase the relative length of the device.

Claims

1. OPEN SURFACE WAVE RESONATOR containing a periodic retarding system in the form of a flat comb having a rectangular cross-sectional shape of grooves, and an output device, characterized in that, in order to increase the working volume of the resonator while maintaining a wide frequency range, the periodic retarding system is made of repeating groups of grooves, while one of the grooves of each group has a depth h 'within 1.3h <h' <2h, where h is the depth of the remaining grooves of the groups, the width of all grooves is the same, and the ends of odic delay system loaded with a matched load.

2. The resonator according to claim 1, characterized in that the number of grooves in the group is five, the length l and width a of the periodic retarding system are in the range 3λ <l <40λ, 0.5 λ <a <λ, where λ is the average over operating range wavelength.

3. The resonator according to claims 1 and 2, characterized in that the output device is made in the form of a rectangular horn, which faces its opening to the decelerating system, the opposite end of the horn passes into a rectangular output waveguide, and the wide part of the mouth of the horn smoothly passes into a narrow wall of a rectangular output waveguide.