Моделювання хвильових процесів у електродинамічних системах підсилювача на ефекті Сміта-Парселла

Abstract

Дисертація присвячена теоретичному й експериментальному дослідженню загальних фізичних закономірностей хвильових процесів у нерегулярних квазіоптичних хвилеводно-діелектричних структурах підсилювача на ефекті Сміта-Парселла.На підставі літературного огляду проаналізовано сучасний рівень розвитку нерегулярних квазіоптичних систем, які застосовуються в електроніці і техніці міліметрових і субміліметрових діапазонів хвиль. Представлена структурна схема класифікації таких систем. Стисло викладені чисельні та експериментальні методи моделювання електромагнітних полів у нерегулярних квазіоптичних системах пристроїв міліметрового і субміліметрового діапазонів, описана методика вимірювань та схеми експериментальних установок. Для моделі підсилювача на ефекті Сміта-Парселла отримано і проаналізовано загальне трансцендентне дисперсійне рівняння, що враховує вплив поздовжніх і поперечних електронних хвиль на його електродинамічні характеристики; вивчено особливості відкритих хвилеводів із дзеркалами плоскої та циліндричної конфігурацій за наявності в їх об’ємі діелектричного або періодичного металодіелектричного шару; показана можливість значного зменшення дифракційних втрат у відкритому хвилеводі з квадратичною корекцією дзеркал. Методами чисельного аналізу й експериментального моделювання встановлено, що планарні металодіелектричні структури можуть бути використані при створенні приладів дифракційної електроніки в інтегральному виконанні. Показана можливість селекції прямої і зворотної хвиль у відкритому хвилеводі з дифракційно-зв’язаними джерелами випромінювання, на основі чого запропоновано новий тип квазіоптичного спрямованого відгалужувача, який своїми вихідними параметрами (перехідне ослаблення – 3 ÷10 дБ, спрямованість – 30 дБ) перевершує аналогічні пристрої на зв’язаних діелектричних хвилеводах. // Русск. версия: Диссертация посвящена исследованию общих физических закономерностей волновых процессов в пространственно-развитых квазиоптических волноводно-диэлектрических структурах, а также выработке на этой основе практических рекомендаций по созданию усилителей на эффекте Смита-Парселла и улучшению их выходных параметров. На основании литературного обзора проанализирован современный уровень развития нерегулярных квазиоптических систем, которые применяются в электронике и технике миллиметровых и субмиллиметровых диапазонов волн. Представлена структурная схема классификации таких систем. Кратко изложены численные и экспериментальные методы моделирования электромагнитных полей в нерегулярных квазиоптических системах устройств миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов, описана методика измерений и схемы экспериментальных установок. Путем учета влияния фокусирующего магнитного поля на электронно- волновые процессы развита линейная самосогласованная теория модели усилителя на эффекте Смита-Парселла, получено и проанализировано общее трансцендентное дисперсионное уравнение, учитывающее влияние продольных и поперечных электронных волн на характеристики усилителя. Проведен теоретический анализ особенностей влияния параметров электродинамической системы усилителя на электронно-волновые процессы, и на основании этого показано, что при изменении расстояния между решеткой и металлическим зеркалом происходит изменение углов излучения и фазовой скорости волны, т.е. путем выбора параметров периодической структуры, в частности ее периода, можно реализовать режимы как объемных, так и поверхностных волн. Установлено, что введение диэлектрического слоя между электронным потоком и металлическим экраном приводит к появлению дополнительных волн, распространяющихся в открытом волноводе, изменению их фазовых скоростей и углов излучения. Изучены общие физические закономерности волновых процессов в различных модификациях нерегулярных квазиоптических систем. Установлены общие свойства влияния геометрических параметров системы и фазовой коррекции зеркал открытого волновода на пространственные и волноводные характеристики при наличии двух дифракционно-связанных источников излучения. Показано, что с точки зрения реализации режима квазибегущей волны более перспективными являются открытые волноводы, образованные двумя цилиндрическими зеркалами. В результате численного анализа и экспериментального моделирования установлена возможность значительного уменьшения дифракционных потерь в открытом волноводе с квадратичной коррекцией зеркал. Показано, что планарные металлодиэлектрические структуры могут быть использованы при создании приборов дифракционной электроники в интегральном исполнении. На основании качественного анализа электронно-волнового механизма взаимодействия электронного потока с дифрагированным полем показана возможность усиления электромагнитных волн на эффекте Смита-Парселла и предложены варианты реализации таких устройств. Методом экспериментального моделирования исследованы электро- динамические характеристики открытых волноводов различных модификаций. Установлена возможность управления волновыми процессами путем изменения толщины диэлектрического слоя и параметров ленточной дифракционной решетки, помещенных в объем волновода. Результаты исследования таких систем указывают на возможность селекции прямой и обратной волн в открытом волноводе, на основании чего предложен и исследован перестраиваемый квазиоптический направленный ответвитель на дифракционно-связанных линиях передачи, который по своим параметрам превосходит аналогичные устройства на связанных диэлектрических волноводах. На основании полученных теоретических и экспериментальных результатов выработаны практические рекомендации по созданию и оптимизации электродинамических систем усилителя на эффекте Смита- Парселла, а также предложены новые функциональные устройства техники миллиметровых и субмиллиметровых волн. При цитировании документа, используйте ссылку http://essuir.sumdu.edu.ua/handle/123456789/628