Конкуренция и кооперация мод в малообъемном ГДИ с периодической структурой из связанных желобковых волноводов

Рассмотрены особенности возбуждения колебаний в малообъемном генераторе дифракционного излучения (ГДИ). Проведены исследования особенностей конкуренции мод в ГДИ в 8-мм диапазоне длин волн. Обнаружен двухчастотный режим генерации, характеризующийся кооперативным взаимодействием возбуждаемых мод. Про...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2008
1. Verfasser:	Мирошниченко, В.С.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України 2008
Schlagworte:	Вакуумная и твердотельная электроника
Online Zugang:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/10563
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Конкуренция и кооперация мод в малообъемном ГДИ с периодической структурой из связанных желобковых волноводов / В.С. Мирошниченко // Радіофізика та електроніка. — 2008. — Т. 13, № 1. — С. 71-78. — Бібліогр.: 11 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-10563
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-105632025-02-09T14:41:58Z Конкуренция и кооперация мод в малообъемном ГДИ с периодической структурой из связанных желобковых волноводов Конкуренція та кооперація мод в малооб’ємному ГДВ з періодичною структурою із зв’язаних жолобкових хвилеводів Competition and cooperation of modes in small-volume dro with periodic structure from coupled grooved waveguides Мирошниченко, В.С. Вакуумная и твердотельная электроника Рассмотрены особенности возбуждения колебаний в малообъемном генераторе дифракционного излучения (ГДИ). Проведены исследования особенностей конкуренции мод в ГДИ в 8-мм диапазоне длин волн. Обнаружен двухчастотный режим генерации, характеризующийся кооперативным взаимодействием возбуждаемых мод. Проведена идентификация резонансных мод, участвующих в кооперативном взаимодействии, и предложен механизм возникновения синхронных двухчастотных режимов в резонансных автогенераторах с распределенным взаимодействием. Розглянуто особливості збудження коливань в мало-об’ємному генераторі дифракційного випромінювання (ГДВ). Проведені дослідження особливостей конкуренції мод в ГДВ у 8-мм діапазоні довжин хвиль. Виявлено двочастотний режим генерації, який характеризується кооперативною взаємодією збуджуваних мод. Проведена ідентифікація резонансних мод, які приймають участь в кооперативній взаємодії, та запропоновано механізм виникнення синхронних двочастотних режимів в резонансних автогенераторах з розподіленою взаємодією. The singularities of excitation of oscillations in small-volume diffraction radiation oscillator (DRO) are surveyed. The examinations of singularities of a competition of modes in DRO in 8-mm waveband are carried out. The bifrequency condition of generations described by cooperative interaction of excited modes detected. The identification of resonant modes participating in cooperative interaction is carried out and the mechanism of origin of synchronous bifrequency conditions in resonant self-oscillators with distributed interaction is offered. 2008 Article Конкуренция и кооперация мод в малообъемном ГДИ с периодической структурой из связанных желобковых волноводов / В.С. Мирошниченко // Радіофізика та електроніка. — 2008. — Т. 13, № 1. — С. 71-78. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. 1028-821X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/10563 519.237.4:621.385.6 ru application/pdf Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Вакуумная и твердотельная электроника Вакуумная и твердотельная электроника
spellingShingle	Вакуумная и твердотельная электроника Вакуумная и твердотельная электроника Мирошниченко, В.С. Конкуренция и кооперация мод в малообъемном ГДИ с периодической структурой из связанных желобковых волноводов
description	Рассмотрены особенности возбуждения колебаний в малообъемном генераторе дифракционного излучения (ГДИ). Проведены исследования особенностей конкуренции мод в ГДИ в 8-мм диапазоне длин волн. Обнаружен двухчастотный режим генерации, характеризующийся кооперативным взаимодействием возбуждаемых мод. Проведена идентификация резонансных мод, участвующих в кооперативном взаимодействии, и предложен механизм возникновения синхронных двухчастотных режимов в резонансных автогенераторах с распределенным взаимодействием.
format	Article
author	Мирошниченко, В.С.
author_facet	Мирошниченко, В.С.
author_sort	Мирошниченко, В.С.
title	Конкуренция и кооперация мод в малообъемном ГДИ с периодической структурой из связанных желобковых волноводов
title_short	Конкуренция и кооперация мод в малообъемном ГДИ с периодической структурой из связанных желобковых волноводов
title_full	Конкуренция и кооперация мод в малообъемном ГДИ с периодической структурой из связанных желобковых волноводов
title_fullStr	Конкуренция и кооперация мод в малообъемном ГДИ с периодической структурой из связанных желобковых волноводов
title_full_unstemmed	Конкуренция и кооперация мод в малообъемном ГДИ с периодической структурой из связанных желобковых волноводов
title_sort	конкуренция и кооперация мод в малообъемном гди с периодической структурой из связанных желобковых волноводов
publisher	Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
publishDate	2008
topic_facet	Вакуумная и твердотельная электроника
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/10563
citation_txt	Конкуренция и кооперация мод в малообъемном ГДИ с периодической структурой из связанных желобковых волноводов / В.С. Мирошниченко // Радіофізика та електроніка. — 2008. — Т. 13, № 1. — С. 71-78. — Бібліогр.: 11 назв. — рос.
work_keys_str_mv	AT mirošničenkovs konkurenciâikooperaciâmodvmaloobʺemnomgdisperiodičeskojstrukturojizsvâzannyhželobkovyhvolnovodov AT mirošničenkovs konkurencíâtakooperacíâmodvmaloobêmnomugdvzperíodičnoûstrukturoûízzvâzanihžolobkovihhvilevodív AT mirošničenkovs competitionandcooperationofmodesinsmallvolumedrowithperiodicstructurefromcoupledgroovedwaveguides
first_indexed	2025-11-26T22:47:03Z
last_indexed	2025-11-26T22:47:03Z
_version_	1849894871206199296
fulltext	__________ ISSN 1028-821X Радиофизика и электроника, том 13, № 1, 2008, с. 71-78 © ИРЭ НАН Украины, 2008 ВАКУУМНАЯ И ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА УДК 519.237.4:621.385.6 КОНКУРЕНЦИЯ И КООПЕРАЦИЯ МОД В МАЛООБЪЕМНОМ ГДИ С ПЕРИОДИЧЕСКОЙ СТРУКТУРОЙ ИЗ СВЯЗАННЫХ ЖЕЛОБКОВЫХ ВОЛНОВОДОВ В. С. Мирошниченко Институт радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова НАН Украины, 12, ул. Ак. Проскуры, Харьков, 61085, Украина E-mail: mirosh@ire.kharkov.ua Рассмотрены особенности возбуждения колебаний в малообъемном генераторе дифракционного излучения (ГДИ). Про- ведены исследования особенностей конкуренции мод в ГДИ в 8-мм диапазоне длин волн. Обнаружен двухчастотный режим гене- рации, характеризующийся кооперативным взаимодействием возбуждаемых мод. Проведена идентификация резонансных мод, участвующих в кооперативном взаимодействии, и предложен механизм возникновения синхронных двухчастотных режимов в резонансных автогенераторах с распределенным взаимодействием. Ил. 10. Библиогр.: 11 назв. Ключевые слова: генератор дифракционного излучения, электронный поток, конкуренция и кооперация мод, открытая резонансная система, миллиметровый диапазон. Использование в ГДИ малообъемных от- крытых резонансных систем (ОРС) было обу- словлено практической необходимостью сниже- ния веса и габаритов используемых магнитных фокусирующих систем (МФС), а также было про- диктовано необходимостью расширения диапазо- на электрической настройки частоты для данных источников когерентного излучения [1]. Несмотря на малые значения продольного индекса колеба- ний ( 31q ), добротность колебаний в малообъ- емной ОРС составляет 500LQ , что обеспечива- ет стабильность частоты генерации не менее 10 -5 . С другой стороны, в малообъемом ГДИ электроди- намическая система помещена в закрытый вакуум- ный объем, что приводит к снижению дифракци- онных потерь для высших типов колебаний, вслед- ствие чего возбуждение колебаний сопровождается конкуренцией либо кооперацией мод в ОРС. Исследованию особенностей взаимодей- ствия мод в резонансных автогенераторах с дли- тельным взаимодействием и поиску многочастот- ных режимов генерации уделялось достаточно много внимания, как в теоретическом плане, так и в эксперименте. Однако наблюдавшиеся ранее многочастотные режимы отличались скорее кон- куренцией возбуждаемых мод и снижением сум- марного уровня выходной мощности, а механиз- му кооперации мод в ГДИ не уделялось достаточ- ного внимания. Так в работе [2] продемонстриро- вана конкуренция близлежащих мод в оротроне, приводящая к установлению колебаний только на одной из частот. Многочастотный режим генера- ции в оротроне на близлежащих, но не взаимо- действующих в “холодной” ОРС модах смодели- рован в работе [3]. В эксперименте [4] одновре- менная генерация на нескольких частотах в ГДИ наблюдалась в зоне электронного гистерезиса. Механизм кооперативного взаимодействия мод и его практическое использование детально исследо- ваны в гиротронах [5] и релятивистских ЛБВ [6]. В этой работе приведены результаты экс- периментального исследования особенностей кон- куренции и кооперации мод в малообъемном ГДИ, проведена идентификация резонансных мод, участ- вующих во взаимодействии, а также определены условия возникновения двухчастотных режимов генерации, характеризующихся кооперацией мод. 1.Объект исследования и методика эксперимента. Исследование режимов конкурен- ции и кооперации возбуждаемых мод было про- ведено на макете малообъемного ГДИ в 8-мм диапазоне длин волн. ОРС ГДИ состояла из полу- сферического открытого резонатора (ОР) и сдво- енной периодической структуры из связанных желобковых волноводов [7], размещенной на плоском зеркале (см. рис. 1). Рис. 1. Схема ОРС ГДИ Здесь a - суммарная ширина желобковых волноводов; b - высота периодической структуры; mailto:mirosh@ire.kharkov.ua В. С. Мирошниченко / Конкуренция и кооперация мод… _______________________________________________________________________________________________________________ 72 l - период структуры; L - длина пространства взаимодействия; D - межзеркальное расстояние; A - апертура плоского зеркала вдоль оси OX. Узел связи ОР с нагрузкой располагался в центре сфе- рического зеркала и был выполнен в виде волно- водного перехода на сечение 25,02,7 мм 2 . Воз- буждение колебаний в ГДИ осуществлялось при движении ленточного электронного пучка вдоль оси OY в канале периодической структуры ( - ширина пролетного канала), ось электронного пучка была размещена на уровне 2bz . Для исключения влияния переходных процессов, воз- никающих при импульсном возбуждении ГДИ, все измерения проведены в режиме длинных им- пульсов ( 1и мкс; 200100повтf Гц). 2. Идентификация типов возбуждаемых мод в ОРС малообъемного ГДИ. Для идентифи- кации возбуждаемых мод в ОРС малообъемного ГДИ были проведены “холодные” измерения пара- метров резонансных мод. Определялись: нагру- женная добротность LQ ; коэффициент связи ОРС с нагрузкой ; дисперсионные зависимости )( fD . Для каждой из мод проведено сравнение дисперсионных кривых )( fD с результатами численного моделирования свойств резонансных мод в двумерной модели ОРС, где двойная решетка заменена прямоугольной канавкой с размерами ba [8]. При идентификации также учитывалось число зон генерации по ускоряющему напряжению для данной моды, наблюдавшееся в эксперименте. Размещение периодической структуры на одном из зеркал ОРС приводит к непрерывной трансформации структуры поля при изменении межзеркального расстояния и непрерывной пере- стройке моды по частоте. Распределение поля в объеме ОР соответствует функциям Эрмита-Гаусса только на некоторых частотах, соответствующих режиму фазового согласования периодической структуры с полем ОРС. Поэтому структуру поля в ОРС на частотах фазового согласования мы возь- мем за основу для обозначения дисперсионных кривых )( fD , характеризующих резонансные расстояния между зеркалами для наблюдавшихся мод. Тогда через TEMmnq обозначим гауссовую моду в ОРС, а индексы m, n, описывают число вариаций поля в функции Эрмита-Гаусса вдоль OX и OY, q – продольный индекс моды, описывающий число полуволн вдоль OZ. В качестве примера на рис. 2,а представлено распределение электриче- ской компоненты поля резонансной моды TEM202 на частоте фазового согласования прямоугольной канавки с полем резонатора, полученное при чис- ленном моделировании свойств ОРС. а) б) Рис. 2. Распределение E-компоненты резонансного поля в ОР с прямоугольной канавкой на зеркале Из всего спектра собственных колебаний ОРС генератора будем рассматривать только моды, имеющие составляющую электрического поля в пролетном канале OYE \|\| и взаимодейст- вующие с электронным пучком. Отметим, что для гауссовых мод перенос энергии происходит вдоль оси OZ, и влияние стенок корпуса макета на дис- персию мод незначительно. При сближении зеркал резонатора вплоть до касания ( 2D ) резонансное поле стягива- ется к канавке на зеркале, заполненной в ГДИ периодической структурой, а гауссова мода TEM001 трансформируется в волноводную моду призматического резонатора H111, сосредоточен- ную в объеме )( DbLa . Для этого случая распределение электрической компоненты поля моды TEM001 представлено на рис. 2,б. Отметим, что для волноводной моды перенос энергии про- исходит как вдоль OZ, так и вдоль OY, что приво- дит к существенному изменению характера дис- персионных кривых )( fD и условий для фазового синхронизма медленной пространственной гармо- ники в периодической структуре с электронным пучком. Отметим, что для мод TEM212 и TEM011 структура поля в ОР аналогична приведенной на рис. 2, только вдоль оси OY присутствуют два противофазных пятна поля на зеркале ОРС. 3. Конкуренция мод при одночастотном режиме работы ГДИ. Открытая электродинамиче- ская система малообъемного ГДИ способна поддер- живать несколько резонансных мод, которые не взаимодействуют между собой благодаря их высо- кой добротности. Поэтому конкуренция между близлежащими модами происходит из-за общего источника энергии – электронного пучка. Для воз- никновения такой конкуренции необходимо, чтобы ток электронного пучка превышал стартовый ток для каждой из мод ( 21, stst III ), а также наблю- далось перекрытие зон генерации для конкурирую- щих мод по ускоряющему напряжению ( 21 UUU ). Конкуренция мод приводит к В. С. Мирошниченко / Конкуренция и кооперация мод… _______________________________________________________________________________________________________________ 73 жесткому режиму возбуждения колебаний, ограни- чению зоны электронной перестройки частоты и срыву генерации вблизи максимума мощности, спо- собствует затягиванию частоты конкурирующим колебанием в зоне электронного гистерезиса [9]. Активная мощность, отдаваемая элек- тронным пучком резонансному полю гауссовой TEMmnq-моды в ГДИ составляет [10] ,),( 8 exp 228 exp 22 2 22 2 pmn p p n p p n p mne F H H L CP (1) где mnC , - константы; )(nH - полиномы Эрми- та; s lc v - фазовая скорость s-й пространствен- ной гармоники поля резонансной моды вблизи периодической структуры; c - скорость света в вакууме; 0v - начальная скорость электронов пучка; 0vvL - параметр рассинхронизма; 0vL pp - параметр пространственного за- ряда; mnrL 4 - длина пространства взаимодейст- вия; c2 - частота колебаний. Число зон с положительным балансом энергообмена электрон- ного пучка с резонансным полем для функции рассинхронизма ),( pmnF составляет (n+1) и определяется числом вариаций поля TEMmnq-моды вдоль пространства взаимодействия [11]. Взаимное расположение (перекрытие) зон генерации для соседних мод в ОРС генератора определяет харак- тер энергообмена между ними (конкуренция или кооперация мод). Рассмотрим особенности возбуждения гауссовой TEM002-моды в экспериментальном макете малообъемного ГДИ. Отметим, что рабо- чий ток электронного пучка существенно пре- вышал стартовый ток не только основной TEM002-моды, но и стартовый ток ее ближайших сателлитов (TEM012, TEM022, TEM202). Другой особенностью работы ГДИ на TEM002-моде явля- лась ее сильная пересвязь с нагрузкой: при на- груженной добротности 450250LQ коэф- фициент связи составлял 104 в диапазоне перестройки 3734f ГГц. Диаграмма комбинированной перестройки ГДИ, представленная на рис. 3,а в координатах )( fD , иллюстрирует взаимное расположение дисперсионных кривых для мод, возбуждаемых как в «холодном» режиме (сплошные кривые), так и в режиме генерации (точки-символы). Здесь значе- ние параметра 0HD соответствует случаю касания сферического и плоского зеркал (H – ве- личина прогиба сферического зеркала). Параллель- ное размещение кривых )( fD на диаграмме пере- стройки для мод TEM002, TEM012, TEM022 свиде- тельствует об отсутствии вырождения этих мод как в “холодной” ОРС, так и в режиме генерации: раз- нос частот мод-сателлитов достигал 1 ГГц при полосе пропускания нагруженной ОРС на каждой из мод 12080f МГц. а) б) Рис. 3. Диаграмма комбинированной перестройки ГДИ (а) и уровень выходной мощности для возбуждаемых мод (б) На рис. 3,б представлено изменение уровня выходной мощности ГДИ в полосе пере- стройки для каждой из возбуждаемых мод. Мак- симум выходной мощности ГДИ наблюдался при возбуждении генерации на модах TEM002 и TEM003 в полосе частот 5,375,34f ГГц, т. е. в зоне фазового согласования периодической структуры с полем ОРС В. С. Мирошниченко / Конкуренция и кооперация мод… _______________________________________________________________________________________________________________ 74 2 2 1 2 c b b c ff . (2) Здесь ac 2 - критическая длина волны, рас- пространяющейся вдоль OZ в многожелобковом волноводе, образованном противостоящими ще- лями двойной решетки и пролетным каналом для электронного пучка [7]. В полосе частот 3835f ГГц также наблюдалось возбуждение колебаний в ГДИ на моде TEM012 с двумя вариациями поля вдоль движения электронного пучка и моде TEM022 с тремя вариациями поля вдоль движения элек- тронного пучка. Для каждой из этих мод обнару- жены две зоны генерации при ускоряющем на- пряжении пучка UU и UU . Таким образом, в отличие от работы [3] для гауссовых мод-сателлитов TEM002, TEM012, TEM022 в малообъемном ГДИ наблюдался только одночастотный режим генерации с энергетиче- ской конкуренцией мод при перекрытии зон гене- рации по ускоряющему напряжению для общего электронного пучка. Как видно из представленной на рис. 4 дисперсионной диаграммы для фазовых скоро- стей, зоны генерации для TEM012 и TEM022- типов колебаний размещены по обе стороны 2 -линии, соответствующей условию синхронизма скоро- стей электронного пучка и пространственной гармоники: vv0 . Для колебаний TEM002 и TEM202 с одним пятном поля вдоль движения электронного пучка присутствует только одна зона генерации при UU , размещенная ниже 2 -линии на дисперсионной диаграмме. Рис. 4. Дисперсионная диаграмма для фазовых скоростей пространственных гармоник поля в периодической структуре малообъемного ГДИ Расчет функции рассинхронизма согласно (1) для мод TEM002 и TEM012 показал частичное перекрытие зон генерации, что приводит к жест- кому режиму возбуждения ГДИ на моде TEM002 (рис. 5). Это типичный случай энергетической конкуренции разнесенных по частоте резонанс- ных мод в ГДИ. Возбуждение ГДИ на гауссовой TEM202 –моде с одним пятном поля вдоль про- странства взаимодействия наблюдалось только в низкочастотной области ( 3432f ГГц), что обусловлено перекрытием зоны генерации по напряжению для данной моды конкурирующими колебаниями TEM012 и TEM022. Рис. 5. Взаимное расположение функций рассинхронизма для конкурирующих мод TEM002 (F00) и TEM012 (F01) 4. Кооперативное взаимодействие мод при двухчастотном режиме генерации в ГДИ. При малых межзеркальных расстояниях ( 5,1HD мм) наблюдалось возбуждение ГДИ на моде TEM011 c двумя вариациями Е-компо- ненты резонансного поля вдоль пространства взаимодействия, и соответственно на дисперси- онной диаграмме (см. рис. 4) присутствуют две зоны генерации по ускоряющему напряжению. Однако обе зоны генерации располагаются ниже 2 -линии на дисперсионной диаграмме. Это сви- детельствует о трансформации данной моды в волноводную моду H121, сосредоточенную в объ- еме )( DbLa . Для волноводной моды на- блюдается перенос части запасенной энергии вдоль оси OY, что и приводит к существенному изменению фазовой скорости медленной про- странственной гармоники в периодической струк- туре, взаимодействующей с электронным пучком. Характерной особенностью работы ГДИ на TEM011-моде является наличие двух зон генера- ции с одинаковыми частотами при различных зна- чениях ускоряющего напряжения пучка 1U и 2U , что и наблюдалось при комбинированной пере- стройке до 5,0HD мм. Однако при дальней- шем уменьшении межзеркального расстояния вплоть до касания зеркал возникал устойчивый двухчастотный режим в запретной зоне для само- В. С. Мирошниченко / Конкуренция и кооперация мод… _______________________________________________________________________________________________________________ 75 возбуждения генератора на TEM011-моде, а именно, при ускоряющем напряжении 21 UUU . Для этого случая на рис. 6,а представлен ход изменения суммарной выходной мощности и парциальных частот резонансных мод от ускоряющего напряже- ния. Разделим зону электронной перестройки ус- ловно на три участка: А - (11 13 кВ), В - (13 14,5 кВ) и С - (14,5 15 кВ). Участки А и С представляют собой типичные две зоны генерации с одинаковыми частотами, которые характерны для возбуждения ГДИ на ТЕМ011-моде с двумя проти- вофазными пятнами поля вдоль движения элек- тронного пучка. На промежуточном участке (зона В) самовозбуждение на TEM011-моде невозможно, поэтому происходит возбуждение близлежащей моды в ОРС с резонансной частотой выше на 120 МГц. Причем наблюдаемое плавное изменение частоты при переходе на высшую по частоте моду ( 2,13U кВ), свидетельствует о сильном электро- динамическом взаимодействии этих мод. а) б) Рис. 6. Зона электронной перестройки ГДИ при двухчастот- ном режиме генерации (а) и зависимость мощности парци- альных мод от рабочего тока (б) При исследовании двухчастотной генера- ции регистрировались суммарная выходная мощ- ность, частоты парциальных мод и индекс моду- ляции сигнала на выходе квадратичного детекто- ра, а уровень мощности каждой из мод опреде- лялся расчетным путем. На рис. 6,б представлена зависимость от рабочего тока мощности, выве- денной в нагрузку для каждой из парциальных мод, участвующих в режиме двухчастотной гене- рации в ГДИ. Здесь через P1 обозначена мощ- ность генерации на высшей по частоте моде ОРС, которая возбуждается автономно на участке B зоны электронной перестройки ГДИ, а через P2 обозначена мощность второй парциальной моды TEM011, не способной к самовозбуждению в зоне B. При увеличении тока пучка наблюдается рост, как суммарной мощности генерации, так и увели- чение мощности каждой из парциальных мод, уча- ствующих во взаимодействии. Возбуждение гене- рации на второй парциальной частоте (P2) при 375I мА не приводит к срыву колебаний или хотя бы к снижению мощности колебаний на пер- вой моде (P1), что и свидетельствует о кооператив- ном взаимодействии мод при двухчастотном ре- жиме генерации колебаний в малообъемном ГДИ. Отметим, что при анализе спектра выход- ного сигнала ГДИ наблюдались только две состав- ляющие, разнесенные по частоте на 120 МГц, т. е. в генераторе не присутствовала амплитудная моду- ляция колебаний. Промежуточная частота (120 МГц), выделенная на квадратичном детекторе сигнала, была стабильна на протяжении всей дли- тельности импульса излучения ( 1и мкс). Для выяснения механизма кооперативно- го взаимодействия мод в ГДИ были проведены «холодные» измерения параметров резонансных мод в ОРС вблизи зоны двухчастотной генерации. На рис. 7 сплошными линиями представлена диа- грамма перестройки основной TEM001-моды в “холодной” ОРС и TEM011-моды с двумя пятнами поля вдоль OY. Точками на диаграмме отмечена перестройка ОРС в режиме самовозбуждения ко- лебаний на TEM011-моде. Характерной особенно- стью ОРС оказалась ее низкая нагруженная доб- ротность на TEM001-моде ( 200LQ ) вследствие большого коэффициента связи с нагрузкой ( 3 ) и больших омических потерь в периодической структуре. Это обстоятельство и привело к подав- лению возбуждения колебаний в малообъемном ГДИ на TEM001-моде. Добротность для TEM011- моды значительно выше 1000600LQ , а небольшой коэффициент связи с нагрузкой ( 25,01,0 ) обеспечивается благодаря не- значительной асимметрии поля резонансной моды вдоль OY в экспериментальном макете генератора. В. С. Мирошниченко / Конкуренция и кооперация мод… _______________________________________________________________________________________________________________ 76 Рис. 7. Диаграмма перестройки резонансных мод в ОРС вблизи зоны двухчастотной генерации Изрезанный характер кривой )( fD для перестройки на TEM011-моде свидетельствует об ее электродинамическом взаимодействии с дру- гими резонансными модами в ОРС. Ввиду близ- кого расположения зеркал ( 2D ) это уже не могут быть гауссовые TEMmn1-моды, а скорее всего, во взаимодействие вступают объемные моды типа Hmn0 с электрической составляющей параллельной оси OZ. Эти резонансные моды существуют в призматическом волноводном ре- зонаторе DLA , образованном проводящими стенками корпуса ГДИ и зеркалами ОРС. В пользу высказанного утверждения сви- детельствует почти вертикальный характер разры- вов на диаграмме перестройки TEM011-моды, т. е. наблюдается слабая зависимость резонансных частот для объемных волноводных мод от межзер- кального расстояния D. Исходя из приближенной оценки размеров закрытого объема в области двух- частотного режима ( 5,12427 мм 3 ) одной из близлежащих по частоте мод призматического резонатора может быть мода H530, которая имеет три вариации поля на поверхности периодической структуры вдоль OY. Примерная схема распреде- ления электрической компоненты поля для моды H530 приведена на рис. 8. Рис. 8. Схема распределения электрической компоненты для объемной H530–моды призматического резонатора в ОРС Электродинамическая связь между мода- ми TEM011 и H530 с различной симметрией вдоль оси OY может быть вызвана небольшим возму- щением полей в макете генератора по сравнению с теоретической моделью ОРС. На рис. 9 приведены добротность ОРС и коэффициент связи с нагрузкой для взаимодейст- вующих мод. Как видим, в области взаимодейст- вия происходит выравнивание нагруженной доб- ротности для моды 1 (H530) и моды 2 (TEM011). При увеличении расстояниях между зеркалами ( 4,0HD мм) объемная мода призматическо- го резонатора (H530) теряет добротность, и пре- кращается взаимодействие мод. Рис. 9. Поведение нагруженной добротности и коэффициен- тов связи с нагрузкой для взаимодействующих мод H530 (Q1, 1) и TEM011 (Q2, 2) Для близлежащих по частоте резонанс- ных мод с несколькими вариациями поля (две, три и более) вдоль движения электронного потока зоны генерации для функции рассинхронизма mnF могут взаимно дополнять друг друга, что при наличии связи между модами может приводить к кооперативному взаимодействию мод. Предста- вим механизм энергообмена моды H530 с элек- тронным пучком функцией рассинхронизма для гауссовой TEM021-моды, имеющей также три пятна поля вдоль пространства взаимодействия при той же фазовой скорости медленной про- странственной гармоники. Тогда рассчитанное согласно (1) взаимное расположение зон генера- ции для мод TEM011 и H530 представлено на рис. 10. В запретной зоне для моды TEM011 при ускоряющем напряжении 5,10U кВ ничто не препятствует возбуждению колебаний на моде H530, а отработавшие электроны снижают свою энергию и переходят в оптимальную зону для генерации на TEM011-моде при напряжении 7,9U кВ. Этот механизм взаимодействия мод как раз и наблюдался в эксперименте: при уско- В. С. Мирошниченко / Конкуренция и кооперация мод… _______________________________________________________________________________________________________________ 77 ряющем напряжении BU (рис. 6,а) происходило возбуждение моды H530, а отработавшие электро- ны снижали свою скорость и переходили в зону A, способствуя синхронному возбуждению коле- баний и на TEM011–моде. Необходимые фазовые условия обеспечивались перекачкой запасенной энергии между связанными модами. Рис. 10. Предполагаемое взаимное расположение функций рассинхронизма для TEM011-моды (F01) и H530-моды (F02) при кооперации мод в малообъемном ГДИ Таким образом, в основе механизма коо- перативного взаимодействия мод при синхронном двухчастотном режиме лежит сильная взаимо- связь колебаний с несколькими вариациями поля вдоль пространства взаимодействия. Это обеспе- чивает появление на зоне электронной перестрой- ки ГДИ участка (зона B на рис. 6,а), где происхо- дит возбуждение одной из связанных мод без конкуренции колебаний. Возбуждение колебаний на второй частоте происходит за счет группы отработавших электронов, попадающих в низко- вольтную зону рассинхронизма для TEM011-моды (зона А на рис. 6,а), а также благодаря перекачке энергии между связанными модами. Отметим, что для кооперативного взаимодействия мод в ГДИ необходимо не только, чтобы отработавшие элек- троны имели скорость, синхронную со второй модой, но и попадали в пространство взаимодей- ствия в оптимальной фазе ВЧ поля, что возможно только при фазовом синхронизме взаимодейст- вующих мод. Выводы. Для гауссовых мод TEM002, TEM012, TEM022, не вступающих в межтиповое взаимодействие, в малообъемном ГДИ наблюдал- ся только одночастотный режим генерации с энергетической конкуренцией мод при перекры- тии зон генерации по ускоряющему напряжению. Двухчастотный режим генерации в мало- объемном ГДИ обнаружен на связанных модах в ОРС при малых межзеркальных расстояниях и характеризуется кооперативным механизмом взаимодействия мод. Двухчастотный режим гене- рации отличается устойчивостью, существует в широком диапазоне ускоряющих напряжений пучка, причем, наблюдается увеличение как сум- марной генерируемой мощности с ростом тока пучка, так и рост мощности колебаний для парци- альных мод. Обнаруженные двухчастотные режимы, по-видимому, могут быть реализованы и в дру- гих резонансных автогенераторах О-типа с рас- пределенным взаимодействием, а на их основе могут быть созданы радиотехнические устрой- ства с непосредственным переносом информа- ции на промежуточную частоту в самом источ- нике излучения. 1. Скрынник Б. К., Корнеенков В. К., Мирошниченко В. С. Генераторы дифракционного излучения миллиметрового диапазона длин волн // Вісник Харків. нац. ун-ту. Радіофізика та електроніка. - 2002. - №370, вип.2. - С.105- 108. 2. Соловьев А. Н., Цейтлин М. Б., Белявский Б. А. Анализ условий возбуждения высших типов колебаний в оротро- не на основе нелинейной многочастотной теории // Ра- диотехника и электроника. - 1985. - 30, вып.1. - С.106- 110. 3. Lutgert S.. Mode Competition in the Оrotron // International Journal of Infrared and Millimeter Waves. - 1992. - 13, N1. - P.71-90. 4. Demchenko M. Yu., Korneenkov V. K., Kurin V. G. Frequency self-stabilization of the diffraction radiation oscillator in a biharmonic mode // Microwave and Optical Technology Letters. - 2001. - 31, N2. - P.112-115. 5. Idehara T., Mitsudo S., Pereyaslavets M. at al.. Mode cooperation in a submillimeter wave FU series gyrotron // International Journal of Infrared and Millimeter Waves. - 1999. - 20, N7. - P.189-210. 6. Бреднев А. А., Кураев А. А., Синицын А. К. Кооперация мод в релятивистской ЛБВ на гофрированном волноводе // 13-я Международная Крымская конф. “СВЧ-техника и телеком- муникационные технологии”. - Севастополь: Вебер, 2003. - 1. - С.243-244. 7. Мирошниченко В. С. Периодическая структура ЛСЭ из связанных желобковых волноводов // Радиофизика и элек- троника. - Харьков: Ин-т радиофизики и электрон. НАН Украины. - 1998. - 3, №2. - С.69-72. 8. Демченко М. Ю., Корнеенков В. К., Мирошниченко В. С. и др. Открытый резонатор с прямоугольной канавкой на зер- кале, теория и эксперимент // Радиофизика и электроника. - Харьков: Ин-т радиофизики и электрон. НАН Украины. - 2000. - 5, №3. - С.19-29. 9. Корнеенков В.К., Курин В.Г. Экспериментальное исследо- вание автостабилизации частоты в генераторе дифракци- онного излучения // Радиофизика и электроника. - Харьков: Ин-т радиофизики и электрон. НАН Украины. - 2007. - 12, №2. - С.389-393. 10. Евдокименко Ю. И., Лукин К. А., Ревин И. Д. и др. Осо- бенности энергообмена в генераторах дифракционного из- лучения - лазерах на свободных электронах. - Харьков, 1982. - 46 с. - (Препр. / АН УССР. Ин-т радиофизики и электрон.; №191). 11. Евдокименко Ю. И., Лукин К. А., Ревин И. Д. Скрын- ник Б. К. Особенности работы ГДИ на высших модах от- крытого резонатора // Журн. техн. физики. - 1982. - 52, №3. - С.525-527. В. С. Мирошниченко / Конкуренция и кооперация мод… _______________________________________________________________________________________________________________ 78 COMPETITION AND COOPERATION OF MODES IN SMALL-VOLUME DRO WITH PERIODIC STRUCTURE FROM COUPLED GROOVED WAVEGUIDES V. S. Miroshnichenko The singularities of excitation of oscillations in small- volume diffraction radiation oscillator (DRO) are surveyed. The examinations of singularities of a competition of modes in DRO in 8-mm waveband are carried out. The bifrequency condition of generations described by cooperative interaction of excited modes detected. The identification of resonant modes participating in cooperative interaction is carried out and the mechanism of origin of synchronous bifrequency conditions in resonant self-oscillators with distributed interaction is offered. Key words: diffraction radiation oscillator, electron beam, competition and cooperation of modes, open resonant system, millimeter waveband. КОНКУРЕНЦІЯ ТА КООПЕРАЦІЯ МОД В МАЛООБ’ЄМНОМУ ГДВ З ПЕРІОДИЧНОЮ СТРУКТУРОЮ ІЗ ЗВ’ЯЗАНИХ ЖОЛОБКОВИХ ХВИЛЕВОДІВ В. С. Мірошниченко Розглянуто особливості збудження коливань в мало- об’ємному генераторі дифракційного випромінювання (ГДВ). Проведені дослідження особливостей конкуренції мод в ГДВ у 8-мм діапазоні довжин хвиль. Виявлено двочастотний режим генерації, який характеризується кооперативною взаємодією збуджуваних мод. Проведена ідентифікація резонансних мод, які приймають участь в кооперативній взаємодії, та запропоно- вано механізм виникнення синхронних двочастотних режимів в резонансних автогенераторах з розподіленою взаємодією. Ключові слова: генератор дифракційного випро- мінювання, електронний потік, конкуренція та кооперація мод, відкрита резонансна система, міліметровий діапазон. Рукопись поступила 25 января 2008 г.

Конкуренция и кооперация мод в малообъемном ГДИ с периодической структурой из связанных желобковых волноводов

Institution

Ähnliche Einträge