Генератор электромагнитных колебаний
ELECTROMAGNETIC VIBRATION GENERATOR

Изобретение относится к технике СВЧ и может использоваться в радиосвязи, радиолокации и измерительной технике для генерации электромагнитных колебаний в миллиметровом и субмиллиметровом диапазоне длин волн.
Известна конструкция диода Ганна по патенту USA №3422289, М.К. Н01K 3/26, от 1962 г., включающая полупроводниковый активный элемент, состоящий из двух слоев высоколегированного GaAs, являющихся катодным и анодным контактами, и заключенного между ними активного слоя низколегированного GaAs. Одним контактом он соединен с теплоотводящим электродом корпуса диода Ганна, другим - с гибким металлическим проводником, который соединен с другим электродом корпуса диода Ганна. При подаче постоянного напряжения на диод Ганна в нем происходит образование движущихся доменов сильного поля, определяющих частоту генерации СВЧ генератора.
Недостатком данной конструкции является малая эффективность передачи электромагнитного излучения от активного элемента в свободное пространство.
Известен генератор электромагнитных колебаний [Андрушко Л.М., Бурмистенко В. М. Электронные и квантовые приборы СВЧ. - М.: Связь, 1974, с. 192], который содержит колебательную систему, состоящую из отрезка прямоугольного волновода, между широкими стенками которого помещен активный элемент, например, диод Ганна. Для настройки на требуемую частоту волновод снабжен короткозамыкателем, который установлен на одном его конце с возможностью плавного перемещения для перестройки частоты генерации. С другого конца волновод снабжен фланцем. При пропускании тока через диод Ганна возникает генерация в области частот, на которую рассчитан этот диод.
Недостатком данной конструкции является малая эффективность передачи электромагнитного излучения от активного элемента в свободное пространство.
Известен полупроводниковый генератор по патенту РФ 563881, содержащий расположенный на изолирующей подложке планарный элемент Ганна, на поверхности которого размещена замедляющая структура, выполненная в виде изолированных между собой полуволновых проводящих полосок и планарный элемент Ганна установлен внутри объемного резонатора, а в противоположной стенке резонатора, относительно элемента Ганна выполнен волноводный выход с рупором.
Недостатком данной конструкции СВЧ генератора является недостаточная эффективность взаимодействия излучающего диода с полем объемного резонатора.
Известен СВЧ генератор, в котором в качестве колебательной системы используется открытый резонатор, состоящий из двух зеркал - сферического и плоского [Гассанов Л.Г., Липатов А.А., Маров В.В., Мачильченко Н.А. Твердотельные устройства СВЧ в технике и связи. - М.: Радио и связь, 1988]. Для достижения генерации плоское зеркало выполнено в форме дифракционной решетки, над которой помещен жестко сфокусированный электронный пучок. Взаимодействие пучка с упомянутой дифракционной решеткой, как замедляющей структурой, приводит к возбуждению электромагнитных колебаний в открытом резонаторе. Такой генератор, названный оротроном, используется в спектроскопии.
К его недостаткам относится сложность конструкции, обусловленная наличием высоковакуумных элементов и недостаточная эффективность вывода электромагнитного излучения из открытого резонатора.
Известен СВЧ генератор, который имеет колебательную систему в виде открытого резонатора [Бородин А.И., Булгаков Б.М. и др. Полупроводниковый генератор миллиметрового диапазона с квазиоптической резонаторной системой // Письма ЖТФ, т. 5, вып. 5, с. 285], образованный плоским и сферическим зеркалами, между которыми помещена дифракционная решетка из прямоугольных металлических брусьев, служащих токовводами, между которыми помещен полупроводниковый излучающий диод, а вывод СВЧ энергии из резонатора в выходной волновод осуществляется через тонкую диафрагму с отверстием связи в одном из зеркал.
Недостатком данной конструкции генератора электромагнитного излучения миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов является недостаточная эффективность взаимодействия излучающего диода с полем резонатора.
В качестве прототипа выбран генератор электромагнитных колебаний по патенту РФ 2217860, содержащий резонатор, состоящий из первого и второго зеркал, установленных напротив друг друга с зазором, и излучающий диод, установленный либо на поверхности первого зеркала, либо перед нею, между зеркалами резонатора, либо позади нее, в специально выполненном волноводе, при этом излучающий диод соединяется с частями первого зеркала каждая из которых является самостоятельным электродом посредством пары дополнительных электродов таким образом, что образуется петля связи с резонатором, а второе зеркало может иметь как плоскую, так и сферическую форму. Указано, что в качестве излучающего диода может использоваться диод Ганна, лавинно-пролетный, или иной полупроводниковый диод.
Достоинством генератор электромагнитных колебаний является сравнительно узкая ширина линии генерации, высокая направленность излучения электромагнитных волн миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов.
Почти полуконфокальная конфигурация резонатора позволяет получить эффективное взаимодействие излучающего диода с полем резонатора, поскольку он находится в перетяжке поля, где интенсивность его максимальна.
Недостатком данной конструкции генератора электромагнитного излучения миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов является недостаточная эффективность взаимодействия излучающего диода с полем резонатора, так как величина сечения перетяжки поля имеет величину превышающую длину волны излучения.
Перед авторами стояла задача создания устройства, лишенного перечисленных недостатков.
Техническим результатом заявляемого генератора электромагнитных колебаний является увеличение мощности миллиметрового и субмиллиметрового излучения выводимого из резонатора генератора.
Изобретение решает задачу повышения эффективности взаимодействия излучающего диода миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов с полем резонатора.
Поставленная задача решается тем, что предлагаемый генератор электромагнитных колебаний, содержит резонатор, состоящий из первого, выполненного из двух частей, и второго зеркал, установленных напротив друг друга с зазором, и излучающий диод, установленный либо на поверхности первого зеркала, либо перед нею, либо позади нее, либо между зеркалами резонатора, в выполненном волноводе, при этом излучающий диод соединяется с частями первого зеркала, каждая из которых является самостоятельным электродом посредством пары дополнительных электродов таким образом, что образуется петля связи с резонатором, а второе зеркало может иметь как плоскую, так и сферическую форму, согласно изобретению непосредственно перед излучающим диодом установлена диэлектрическая мезоразмерная частица с показателем преломления находящемся в диапазоне примерно от 1,2 до 1,7, формирующая фокальную область повышенной интенсивности электромагнитного поля с поперечным сечением порядка 1/3-1/4 длины используемого излучения, а расстояние между внешней поверхностью основания частицы и излучающим диодом составляет не более, примерно, длины области фокусировки, формируемой указанной диэлектрической частицей. А также мезоразмерная диэлектрическая частица выполнена в виде кубика с размером грани не менее ширины узкой стенки сквозного волноводного канала.
Заявляемый генератор электромагнитного излучения обладает совокупностью существенных признаков, не известных из уровня техники для изделий подобного назначения, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «новизна» для изобретения.
Заявляемый генератор электромагнитного излучения, по мнению заявителей и авторов, соответствует критерию «изобретательский уровень», т.к. неизвестен из доступных источников научной, технической и патентной информации на дату подачи заявки.
Повышение интенсивности излучения генератора электромагнитных колебаний миллиметрового и террагерцового диапазонов длин волн достигается за счет более эффективного взаимодействия электромагнитного поля в волноводе с излучательным диодом. Это достигается за счет локализации электромагнитного поля в поперечном размере порядка λ/3 и длиной (3-4)λ.
Сущность предлагаемого решения поясняется при помощи фиг. 1, где представлен пример конструкции генератора электромагнитного излучения (не в масштабе).
Обозначения: 1 - первое плоское зеркало; 2 - второе сферическое или плоское зеркало; 3 - волновод; 4 - диафрагма; 5 - дополнительные электроды; 6 - волновод; 7 - диэлектрическая мезоразмерная частица; 8 - излучающий диод; 9 - диэлектрический изолятор; 10 - фокальная область повышенной интенсивности электромагнитного поля с поперечным сечением порядка 1/3-1/4 длины используемого излучения.
На фиг. 1 первое зеркало - плоское (1), и второе зеркало - сферическое (2) или плоской формы, установлены с зазором друг напротив друга и образуют полуконфокальный (полусимметричный) резонатор. Первое зеркало (1) состоит из двух частей, разделенных между собой диэлектрическим изолятором, например тефлоновой пленкой (9), причем каждая названная часть является самостоятельным электродом. Второе зеркало (2) выполнено металлическим. В центре зеркала напротив волновода первого зеркала (1) выполнен волновод (6), пропускающий электромагнитные колебания, снабженный диафрагмой (4). В центральной части первого зеркала (1) выполнен волновод (3), в котором установлен излучающий диод (8) и дополнительные электроды (5), которые совместно с излучающим диодом (8) образуют петлю связи с резонатором. Упомянутые части первого зеркала (1) служат одновременно для подвода питания и для эффективного теплоотвода.
Почти полуконфокальная конфигурация резонатора, образованного зеркалами (1-2), позволяет получить эффективное взаимодействие излучающего диода (8) с полем резонатора, поскольку он находится в перетяжке поля, где интенсивность его максимальна. Непосредственно перед излучающим диодом (8) установлена диэлектрическая мезоразмерная частица (7), формирующая фокальную область (10) повышенной интенсивности электромагнитного поля с поперечным сечением порядка 1/3-1/4 длины используемого излучения, являющаяся аналогом «фотонной струи» в оптическом диапазоне длин волн. Расстояние между внешней поверхностью основания частицы (7) и излучающим диодом (8) составляет не более, примерно, длины области фокусировки, формируемой указанной диэлектрической частицей. Такое размещение диэлектрической мезоразмерной частицы (7) еще более увеличивает интенсивность электромагнитного поля на излучающем диоде (8).
Генератор работает следующим образом.
рез
рез
рез
При прикладывании напряжения к половинам первого зеркала (1), через излучающий диод (8) протекает ток. При этом в петле связи, образованной дополнительными электродами (5) и диодом (8), возникают колебания, которые возбуждают резонатор, образованный зеркалами (1) и (2), на собственных модах резонатора. Длина волны электромагнитных колебаний λ определяется уравнением λ = 2×L/N, где L - длина резонатора, N - целое число. При изменении длины L резонатора меняется его рабочая частота и частота электромагнитного поля. Таким образом, генератор перестраивается по частоте. Также возможна перестройка генератора по частоте в небольшом диапазоне, путем изменения рабочего тока излучающего диода (8).
Часть энергии колебаний электромагнитного поля в резонаторе выводится через диафрагму (4) в волноводную линию (6).
Образованный зеркалами (1) и (2) открытый квазиоптический резонатор предлагаемого генератора отличается от прототипа тем, что внутри резонатора непосредственно перед излучающим диодом (8) установлена диэлектрическая мезоразмерная частица (7), формирующая фокальную область (10) повышенной интенсивности электромагнитного поля с поперечным сечением порядка 1/3-1/4 длины используемого излучения, являющаяся аналогом «фотонной струи» в оптическом диапазоне длин волн.
Принцип построения диэлектрических мезоразмерных частиц произвольной трехмерной формы для формирования фотонных струй с поперечным размером акустики порядка трети длины волны и длиной от 0 до 10 длин волн известен из литературы (И.В. Минин, О.В. Минин. Фотоника изолированных диэлектрических частиц произвольной трехмерной формы - новое направление оптических информационных технологий // выпуск "Вестник НГУ. Серия: Информационные технологии". Т. 12, вып.4. 2014, с. 59-70, http://www.nsu.ru/xmlui/handle/nsu/7717; I.V. Minin and O.V. Minin. Diffractive optics and nanophotonics: Resolution below the diffraction limit, Springer, 2016 http://www.springer.com/us/book/9783319242514#aboutBook). Выполнение диэлектрической частицы (7) в виде кубика (частица с плоской гранью) позволяет упростить размещение частицы (7) непосредственно перед излучающим диодом (8).
Диэлектрическая частица (7), формирующая фотонные струи, может быть выполнена в виде субволновых диэлектрических мезоразмерных частиц в виде кубика с размерами грани не менее 0,5λ, или в виде сферы с диаметром не менее λ, где λ длина волны используемого излучения [Гейнц Ю.Э., Земляков А.А., Панина Е.К. Сравнительный анализ пространственных форм фотонных струй от сферических диэлектрических микрочастиц // Оптика атмосферы и океана. 2012. т. 25. №5. с. 417-424; V. Pacheco-Pena, М. Beruete, I.V. Minin, O.V. Minin. Nerajets produced by 3D dielectric cuboids // Appl. Phys. Lett. 105, 084102 (2014); http://dx.doi.org/l0.1063/l/4894243)].
Диэлектрическая мезоразмерная частица выполняется из материалов с показателем преломления находящемся в диапазоне примерно от 1,2 до 1,7. При показателе преломления частицы менее примерно 1,2, формируется фокальная область повышенной интенсивности электромагнитного поля и имеет поперечные размеры более примерно 1/3 длины используемого излучения, а при более 1,7 фокальную область повышенной интенсивности электромагнитного поля формируется внутри диэлектрической частицы.
В результате проведенных исследований было установлено, что локализация поля типа «фотонная струя» у кубика начинается с размера грани 0,5 длины волны используемого излучения. В то время как у сферы при таком диаметре на одной поляризации локализация поля еще не выделена. При этом максимальная интенсивность поля на оси у кубика выше, чем у сферы, в 1,4 раза.
Для характерных размеров кубика и сферы менее λ/2 область фокуса в форме «фотонной струи» не формируется.
Мезомасштабные диэлектрические частицы могут изготавливаться из диэлектриков с коэффициентом преломления, лежащим в диапазоне от 1,2 до примерно 1,7, таких как, например (О.V. Minin, I.V. Minin. Diffractional Optics of Millimetre Waves - IoP, Bristol and Philadelphia, 2004, 396p., pp. 369-373): полистирол, акрил, полиэтилен, полипропилен, поли-4-метилпентен, фторопласт, плавленый кварц, лавсан и других материалов.
Выполнение генератора электромагнитных колебаний миллиметрового и терагерцового диапазонов длин волн с расположенной диэлектрической частицей, формирующей и направляющей «фотонные струи» на излучающий диод обеспечивает технический результат в виде повышения интенсивности излучения генератора электромагнитных колебаний миллиметрового и террагерцового диапазонов длин волн за счет более эффективного взаимодействия электромагнитного поля в волноводе с излучательным диодом по сравнению с известными генераторами электромагнитного излучения.