Кольцевой резонатор. Кольцевой резонатор Выходные данные сборника

ОПТИЧЕСКИЙ РЕЗОНАТОР - совокупность неск. отражающих элементов, образующих открытый резонатор (в отличие от закрытых объёмных резонаторов , применяемых в диапазоне СВЧ). Для длин волн < 0,1 см использование закрытых резонаторов, имеющих размеры d ~ затруднительно из-за малости d и больших потерь энергии в стенках. Использование же объёмных резонаторов с d > также невозможно из-за возбуждения в них большого числа собств. колебаний, близких по частоте, в результате чего резонансные линии перекрываются и резонансные свойства практически исчезают. В О. р. отражающие элементы не образуют замкнутой полости, поэтому большая часть его собств. колебаний сильно затухает и лишь малая часть их затухает слабо. В результате спектр образовавшегося О. р. сильно разрежен.
О. р. - резонансная система лазера ,определяющая спектральный и модовый состав лазерного излучения, а также его направленность и поляризацию. От О. р. зависит заполненность активной среды лазера полем излучения и, следовательно, снимаемая с неё мощность излучения и кпд лазера.
Простейшим О. р. является интерферометр Фабри - Перо , состоящий из двух плоских параллельных зеркал. Если между зеркалами, расположенными на расстоянии d друг от друга, нормально к ним распространяется плоская волна, то в результате отражения её от зеркал в пространстве между ними образуются стоячие волны (собств. колебания). Условие их образования где q - число полуволн, укладывающихся между зеркалами, наз. продольным индексом колебания (обычно q ~ 10 4 - 10 6). Собств. частоты О. р. образуют арифметич. прогрессию с разностью c/2d (эквидистантный спектр). В действительности из-за дифракции на краях зеркал поле колебаний зависит и от поперечных координат, а колебания характеризуются также поперечными индексами т , п , определяющими число обращений поля в 0 при изменении поперечных координат. Чем больше т и п , тем выше затухание колебаний, обусловленное излучением в пространство (вследствие дифракции света на краях зеркал). Моды с т = п = 0 наз. продольными, остальные - поперечными.
Т. к. коэф. затухания колебания растёт с увеличением т и п быстрее, чем частотный интервал между соседними колебаниями, то резонансные кривые, отвечающие большим т и п , перекрываются и соответствующие колебания не проявляются. Коэф. затухания зависит также от числа N зон Френеля, видимых на зеркале диам. R из центра др. зеркала, находящегося от первого на расстоянии d: (см. Френеля зоны) . При N ~ 1 остаётся 1 - 2 колебания, сопутствующих осн. колебанию (q = 1).

Двухзеркальные резонаторы . О. р. с плоскими зеркалами чувствительны к деформациям и перекосам зеркал, что ограничивает их применение. Этого недостатка лишены О. р. со сферич. зеркалами (рис. 1), в к-рых лучи, неоднократно отражаясь от вогнутых зеркал, не выходят за пределы огибающей поверхности - каустики . Поскольку волновое поле быстро убывает вне каустики, излучение из сферич. О. р. с каустикой гораздо меньше, чем излучение из плоского О. р.

Рис. 1. Двухзеркальный резонатор.

Разрежение спектра в этом случае реализуется благодаря тому, что размеры каустики растут с ростом т и n . Для колебаний с большими т и п каустика оказывается расположенной вблизи края зеркал или вовсе не формируется. Сферич. О. р. с каустикой наз. устойчивыми, т. к. параксиальный луч при отражении не уходит из приосевой области (рис. 2,а ). Устойчивые О. р. нечувствительны к небольшим смещениям и перекосам зеркал, они применяются с активными средами, обладающими небольшим усилением (10% на один проход). Для сред с большим усилением используются неустойчивые О. р., в к-рых каустика образоваться не может; луч, проходящий вблизи оси резонатора под малым углом к ней, после отражений неограниченно удаляется от оси. На рис. 2(б )дана диаграмма устойчивости О. р. при разл. соотношениях между радиусами R 1 и R 2 зеркал и расстоянием d между ними. Незаштрихованные области соответствуют наличию каустик, заштрихованные - их отсутствию. Точки, соответствующие резонатору с плоскими (П) и концентрическими (К) зеркалами, лежат на границе заштрихованных областей. На границе между устойчивыми и неустойчивыми О. р. расположен также конфокальный О. р. (R 1 = R 2 = d) . Из устойчивых О. р. наиб. часто используется полуконфокальный (R 1 = х R 2 = 2d ), из неустойчивых - телескопический О. р. (R 1 + R 2 = 2d ). Потери на излучение в неустойчивых О. р. для колебаний высших типов значительно больше, чем для осн. колебания. Это позволяет добиться одномодовой генерации лазера и связанной с ней высокой направленности излучения.

Рис. 2. Образование каустики (а )и диаграмма устойчивости двухзеркальных резонаторов (б ): знаком плюс отмечены области устойчивости; минусом - области неустойчивости; сплошные линии - границы этих областей; П - резонатор с плоскими зеркалами; Конф. - конфокальный резонатор; К - концентрический резонатор; пунктир - линия телескопических резонаторов.

Теория. Распределение электрич. поля Е устойчивого О. р. в плоскости, перпендикулярной оси О. р. (z ), описывается выражением

Здесь Е 0 - коэф., определяющий амплитуду поля; Н т,п - полиномы Эрмита (см. Ортогональные полиномы) т -й и n -й степеней: Н 0 (х) = 1, Н 1 (x) = 2х, Н 2 (х) = 4x 2 - 2, Н 3 (х) = 8х 3 - 12x ; W - поперечный радиус продольной моды (на расстоянии от оси О. р., равном W , плотность энергии продольной моды уменьшается в е раз). Зависимость W(z )имеет вид

где а z отсчитывается от т. н. перетяжки продольной моды, т. е. от той точки на оси резонатора, где её радиус имеет наим. значение, равное W 0 (рис. 2,а ). Расстояние от перетяжки до зеркала R 1

радиус продольной моды в перетяжке

Частотный спектр двухзеркального О. р. задаётся условием

Распределение поля на зеркале показано на рис. 3. Т. к. частотный спектр двухзеркального О. р. вырожден (зависит лишь от суммы т + n , но не от каждого из индексов в отдельности), то Е(х,у )может отличаться от (1). Конкретный вид распределений зависит от слабых возмущающих действий со стороны диафрагм или др. объектов в области, занимаемой пучком. В частности, при осевой симметрии возможны распределения полей (рис. 4), описываемые в цилиндрич. координатах (r, , z )выражением

Здесь l, p - индексы колебания, определяющие число обращений поля в 0 при изменении r иW(z) - радиус продольной моды; - обобщённый полином Лагерра:

Спектр О. р. при осевой симметрии определяется соотношением (2), где (т + п + 1) следует заменить на (2р + l+ 1).

Рис. 3. Распределение поля на зеркале при прямоугольной симметрии.

Рис. 4. Распределение поля на зеркале при осевой симметрии; * соответствует распределению поля при сложении двух ортогонально поляризованных мод.

Составной резонатор. Кроме зеркал О. р. часто содержит т. н. активные элементы (пластинки, линзы и др.). Составной О. р. может работать в двух режимах в зависимости от того, используется или теряется излучение, отражённое от промежуточных поверхностей. Если отражённое излучение используется, то О. р. наз. согласованным. Каждая часть согласованного О. р., заключённая между двумя соседними поверхностями раздела, может рассматриваться как отд. резонатор, причём поперечные моды этих резонаторов подбирают так, чтобы они совпадали на границах раздела. Условие согласования (рис. 5) имеет вид

Согласованный О. р. обладает неэквидистантным спектром и может быть использован для разрежения продольного спектра О. р. (см. ниже).
Важной проблемой в случае составного О. р. является эфф. заполнение активной среды лазера полем выбранной моды. Если составной О. р. обладает осью или плоскостью симметрии, то продольная мода (как и у двухзеркального О, р.) является гауссовым пучком (см. Квазиоптика ).Его прохождение через оптич. элементы описывается матрицами этих элементов (см. Матричные методы в оптике), а прохождение через О. р. описывается матрицей, являющейся произведением матриц составляющих его оптич. элементов. При этом комплексный параметр гауссова пучка q определяется ур-нием

Cq 2 + (D - A)q - B = 0 .

Коэф. А, В, С, D образуют матрицу О. р. Это ур-ние, а также соотношения R = -l , = [kIm (1 /q )] -1 позволяют определить поперечный радпус пучка и радиус кривизны волнового фронта R в любом сечении резонатора.

Селекция продольных мод . Для разрежения (селекции) продольных мод, имеющих одинаковое поперечное распределение поля, но отличающихся частотой, используются резонаторы, содержащие дисперсионные элементы (призмы, дифракц. решётки, интерферометры и др.). В частности, в качестве дисперсионного элемента применяют дополнит. О. р., связанные с основным и образующие т. н. эквивалентное зеркало, коэф. отражения к-рого r зависит от частоты v . Для удаления из спектра одной из продольных мод наиб. пригоден линейный трёхзеркальный О. р. (рис. 6,а ), для выделения в спектре одной продольной моды - резонатор Фокса - Смита (рис. 6,б ) и Т-образный (рис. 6,в ). В нек-рых случаях удобен О. р. Майкельсона (рис. 6,г) .

Рис. 6. Различные типы связанных резонаторов (I) и зависимость коэффициента отражения эквивалентного зеркалаот частоты v (II).

В лазерах на красителях применяется комбинация дифракц. решётки и интерферометра Фабри - Перо (рис. 7). При этом интерферометр выделяет одну продольную моду, а решётка предотвращает генерацию на др. порядках интерферометра. Линзы Л 1 и Л 2 , образующие т. н. телескоп, согласуют узкий пучок, проходящий через активную среду А, с широким пучком, попадающим на интерферометр и решётку.Активная среда в таком О. р. играет также роль диафрагмы, выделяющей осн. поперечную моду. Такие О. р. позволили создать перестраиваемые в широком диапазоне одночастотные лазеры на красителях .

Рис. 7. Резонатор, содержащий дисперсионные элементы (используемый в лазерах на красителях). А - кювета с активной средой; З - непрозрачное или частично прозрачное зеркало; И - интерферометр Фабри - Перо; Д - дифракционная решётка.

Селекция поперечных мод основана на различии в распределении полей поперечных мод с разными т и п . Т. к. обычно требуется выделить осн. моду, к-рая имеет мин. угл, расходимость, гауссово распределение и мин. протяжённость в поперечном направлении, то применяется диафрагмирование пучка внутри О. р. Радиус диафрагмы ориентировочно должен быть равен поперечному радиусу моды, следующей за основной. При этом потери всех мод, кроме основной, сильно увеличиваются.
При селекции поперечных мод необходимо, чтобы оставшаяся единств. мода эффективно заполняла активную среду. Поэтому важны границы зон устойчивости (рис. 2,6 ), где поперечные размеры мод увеличиваются: 1) радиус моды увеличивается во всём объёме, если расстояние d между зеркалами постоянно, а радиусы крпвизны зеркал R l и R 2 (при этом сильно увеличивается чувствительность резонатора к разъюстировкам); 2) радиус моды увеличивается на 1-м зеркале и уменьшается на 2-м, если dR 1 (R 2 >R 1 ); 3) радиус моды увеличивается на 2-м зеркале и уменьшается на 1-м, если d R 2 ; 4) радиус моды увеличивается на обоих зеркалах и уменьшается в области их центров кривизны, если d (R 1 + R 2).
При необходимости выделения к--л. высшей моды на нулевой линии распределения поля этой моды помещают тонкую рассеивающую нить, к-рая не оказывает влияния на избранную моду и подавляет др. моды, не обращающиеся в 0 на этой линии.
Резонаторы с анизотропными элементами. Поляризация лазерного излучения определяется т. н. анизотропными элементами, находящимися в О. р. Такими элементами являются двулучепреломляющие пластины, поляризаторы ,вещества, обладающие оптической активностью , и др., а также пластины Брюстера и диэлектрич. зеркала при наклонном падении на них излучения. Определение поляризации производится матричным методом Джонса. При этом поляризац. матрица всего О. р. является произведением матриц входящих в него элементов, расположенных в том порядке, в к-ром через эти элементы проходит излучение начиная с того места, где требуется определить состояние поляризации. Собств. векторы поляризац. матрицы являются векторами Джонса Е (Е х,Е у ) полей, генерируемых в О. р. Степень поляризации е и направление гл. оси эллипса поляризации а определяются соотношениями

где R = |Е х | / |Е у |,= arcig(E y /E x) .

Модули собств. значений матрицы Джонса определяют потери О. р., обусловленные поляризаторами, а фазы собств. значений - поляризац. поправки к частотам соответствующих мод. Подбирая анизотропные элементы, можно добиться требуемого состояния поляризации. Учитывая, что обычно анизотропные элементы обладают заметной дисперсией, можно использовать их также для разрежения продольного спектра.

Кольцевые резонаторы . Спектр собств. частот кольцевого О. р., образованного тремя одинаковыми сферич. зеркалами радиуса R , расположенными в вершинах равностороннего треугольника со стороной а (рис. 8), определяется соотношением

Рис. 8. Кольцевые оптические резонаторы.

Перетяжки мод находятся на серединах сторон треугольника; поперечные протяжённости мод в области перетяжки в плоскости осевого контура равны:

Если у резонатора лишь одно зеркало сферическое, а два плоских (рис. 8,6) , то его спектр определяется соотношением

Поперечные протяжённости мод в области перетяжки, к-рая находится на середине стороны треугольника, противолежащей сферич. зеркалу в плоскости резонатора, равны:

Оптич. система, образующая О. р. с неплоским контуром, напр. система из 4 зеркал, расположенных в вершинах тетраэдра (рис. 8,в ), характеризуется тем, что изображение того или иного предмета, построенное с помощью этой системы, повёрнуто относительно самого предмета на нек-рый свойственный этой системе угол. Для тетраэдра этот угол равен где - углы между соседними плоскостями падения лучей на зеркала (грани тетраэдра), к-рые отсчитываются так, что тетраэдр лежит внутри угла. Продольной модой О. р. с неплоским контуром является пучок, у к-рого гл. оси эллиптич. амплитудного распределения развёрнуты на нек-рый угол относительно гл. линий кривизны волнового фронта. Благодаря этому амплитудное распределение при распространении пучка в свободном пространстве испытывает поворот, к-рый компенсирует поворот, обусловленный объёмным расположением зеркал. Кольцевые О. р. с неплоским контуром применяются, напр., в лазерных гироскопах . Они позволяют, в частности, избавиться от анизотропии, свойственной кольцевым О. р. с плоским контуром.

Неустойчивые резонаторы обладают высокими потерями на излучение во внеш. пространство (см. выше). Потери возрастают с увеличением т и п , благодаря этому неустойчивые О. р. обеспечивают одномодовую (по т и п )генерацию. Достоинством неустойчивых О. р. является большая поперечная протяжённость осн. моды, вследствие чего они могут быть использованы с активными средами большого поперечного сечения. Вывод энергии из неустойчивого О. р., как правило, осуществляется не сквозь зеркала, как в устойчивых О. р., а за краями одного из зеркал. В неустойчивых О. р. существенную (отрицат.) роль играет волна, отражённая от края зеркала и сходящаяся к оси О. р. Для уменьшения такого отражения применяют сглаживание края зеркала, к-рому придаётся звездообразная форма, скругляются края и т. п.
Осн. мода неустойчивого О. р. образована двумя сферич. волнами, распространяющимися между зеркалами навстречу друг другу. В случае телескопич. неустойчивого О. р. (рис. 9) одна из волн может быть плоской. Центр сферич. волны лежит на расстоянии х = R 2 /2 за выпуклым зеркалом с радиусом кривизны R 2 . Вогнутое зеркало должно обладать при этом радиусом кривизны |R 1 | = R 2 + 2d (R l < 0). При достаточно больших поперечных размерах 1-го зеркала пучок излучения кольцевой формы выводится в сторону выпуклого зеркала с волновым фронтом, близким к плоскому.
Неустойчивые О. р. с вращением поля образуются де-фокусирующей системой зеркал, расположенных в вершинах неплоского многоугольника. Однако наиб. важны О. р., образуемые двумя двугранными уголковыми отражателями (рис. 10), рёбра к-рых развёрнуты друг относительно друга на угол. Если одна или неск. граней отражателей являются выпуклыми, то О. р. неустойчив.

Рис. 9. Неустойчивый телескопический резонатор.

Рис. 10. Линейный резонатор с вращением поля, образованный уголковыми отражателями.

Поле при полном обходе такого резонатора испытывает поворот на угол Достоинством неустойчивого О. р. с вращением поля является возможность вывода излучения в виде не кольцевого пучка, как в обычном неустойчивом О. р., а односвязного компактного пучка (рис. 11).

Рис. 11. Вывод энергии в виде компактного односвязного пучка из неустойчивого резонатора с вращением поля наАС - ребро уголкового отражателя зеркала, вблизи которого выводится пучок излучения (заштрихован), НН" - обрез того же зеркала, GG" - ребро второго уголкового отражателя.

Лит.: Вайнштейн Л. А., Открытые резонаторы и открытые волноводы, М., 1966; Ананьев Ю. А., Оптические резонаторы и проблема расходимости лазерного излучения, М., 1979; Справочник по лазерам, пер. с англ., под ред. А. М Прохорова, т. 2, М., 1978, гл. 22, 23; Карлов Н. В., Лекции по квантовой электронике, 2 изд., М., 1988.

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот и обеспечивает перестройку резонансной частоты. Керамическое кольцо прямоугольного сечения с двух сторон имеет слои. 2 и 3 металлизации (сМ). В керамическом кольце I и СМ 2 выполнен радиалышй разрез 4 Металлическая перекйлчка 5 одним концом закреплена на СМ 2 вблизи от разреза 4 и может врав|аться. Резонансная частота кольцевого резонатора определяется положением 4eтaлличecкoй 5 ,1 ил. ;о СП фь

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛ ИСТИЧЕСИИХ

РЕС1 1У БЛИН (s1)y Н 01 Р 7/08

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

00 делАм изОБРетений и ОтнРытий

Гедзюн В.А.,Яковлев П.А. Новые высоковольтные конденсаторы. -Электронная техника, сер.8. Радиодетали, вып.2 (23 1. 1971, с.3-7. (54) КОЛЬЦЕВОЙ РЕЗОНАТОР.

„.SU„„5404 А (57) Изобретение относится к технике сверхвысоких частот и обеспечивает перестройку резонансной частоты. Керамическое кольцо I прямоугольного сечения с двух сторон имеет слои, 2 и 3 металлизации (СМ). В керамическом кольце 1 н СМ 2 выполнен радиальный разрез 4. Металлическая пережжка 5 одним концом эакренлена на СМ 2 вблизи от разреза 4 и монет вращаться. Резонансная частота кольцевого резоиатораопределяется попоаекием металлической перемычки5 ° 1 ил.

1195404 тора.- При этом обеспечивается плавное двухкратное изменение резонансной частоты, так как в первом приближении в одном крайнем положении металлической перемычки 5, при котором она не перемыкает ни радиальный разрез 4, ни часть споя 2 ме таллизации, кольцевой резонатор

° представляет собой разомкнутый полуволновой резонатор, а в другом положении, при котором металлическая перемычка 5 перемыкает радиаль- . ный разрез 4, кольцевой резонатор представляет собой замкнутый резонатор с длиной, равной длине волны.

Формула изобретений

Кольцевой резонатор, содержащий керамическое кольцо, имеющее прямоугольное поперечное сечение, плоские поверхности которого покрыты слоями металлизации, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью обеспечения перестройки резонансной частоты, в керамическом кольце и слое металлизации выполнен радиальный разрез и введена металлическая перемычка, длина которой превышает внут-! ренний диаметр керамического коль,ца, при этом металлическая перемыч ка одним концом закреплена на слое металлиэации в непосредственной близости от радиального разреза с возможностью вращения вокруг точки закрепления.

Составитель В.Апыбин

Редактор A.Лежнина Техред И.Асталош

Заказ 7421/56 Тираж 637

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Подписное

Филиал ППП "Патент", r.Óæãoðîä, ул.Проектная, 4

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот и может быть использовано в частотно-селектнвных элементах тракта.

Целью изобретения является обес- S печенке перестройки резонансной частоты.

На чертеже представлена конструкция кольцевого резонатора.

Кольцевой резонатор содержит кера->О мическое кольцо 1, имеющее прямоугольное сечение, плоские поверхности которого покрыты слоями 2 и 3 металлизации. В керамическом кольце 1 и слое 2 металлизации выполнен радиальный разрез 4 и введена металлическая перемычка 5, длина которои превышает внутренний диаметр керамического кольца 1, при этом металлическая перемычка 5 одним концом эак- >О реплена на слое 2 металлизации в непосредственной близости от радиального yaspesa 4 с возможностью вращения вокруг точки 6 закрепления.

Кольцевой резонатор работает сле- 2 дующим образом.

Электромагнитные колебания в кольцевом резонаторе возбуждаются на резонансной частоте при подключении его к генератору. Резонансная часто- 30 та кольцевого резонатора определяется положением металлической перемычки 5, поверхность которой контактирует со слоем 2 металлизации и при перемещении которой изменяется эффективная длина кольцевого резонаКорректор М.Макснмишинец.

Чрезвычайно важным видом лазерных резонаторов является кольцевой резонатор, в котором оптический путь лучей имеет кольцевую (рис. 5.4а) или более сложную траекторию, как, например, показанная на рис. 5.46 «сложен­ная» (англ. folded) траектория. В обоих случаях резонансные частоты кольце­вого резонатора можно определить, если наложить условие, что полное изме­нение фазы вдоль кольцевой траектории на рис. 5.4а или вдоль замкнутой траектории на рис. 5.46 (показаны сплошными линиями) должно быть кратно величине 2л. При этом легко получить соотношение для резонансных частот:

Оптический диод

Где Ьр - периметр кольца или длина замкнутой траектории на рис. 5.46, а п - целое число. Отметим, что стрелки, показывающие направления лучей на рис. 5.4, могут, вообще говоря, быть развернуты в обратную сторону. Это означает, что, например, на рис. 5.4а излучение может распространяться как по часовой стрелке, так против нее. Таким образом, в общем случае в кольцевом резонаторе образуется стоячая волна. Однако можно использо­вать некоторое устройство, обеспечивающее однонаправленное распростра­нение излучения, например только справа налево на рис. 5.4а (оптический диод, более подробно см. в разделе 7.8.2.2). Тогда в резонаторе будет сущест­вовать только волна, бегущая по часовой стрелке. Таким образом, понятия моды резонатора и резонансной частоты связаны не только со стоячими вол­нами. Отметим, что кольцевые резонаторы также могут иметь либо устойчи­вую (как на рис. 5.4), либо неустойчивую конфигурации.

Пример 5.1. Число мод в замкнутом и открытом резонаторах. Рас­смотрим Не-Ые лазер, генерирующий на длине волны X = 633 нм, с доп­плеровским контуром линии усиления шириной Ау5=1,7 109Гц. Поло­жим длину резонатора равной Ь = 50 см и рассмотрим вначале открытый резонатор. В соответствии с (5.1.3) число продольных мод, попадающих в контур усиления, равно Ыореп = 2ЬАц /с = 6. Предположим теперь, что ре­зонатор ограничен цилиндрической боковой поверхностью диаметром 2а = 3 мм. В соответствии с (2.2.16) число мод такого закрытого резонатора, попадающих в контур усиления шириной Ауо, равно МСІ08Є(І = 87іу2^Ауо / с3, где V = с/Х - частота лазера, а V = па2Ь - объем резонатора. Используя при­веденные выражения и выбранные значения параметров, легко получить, что Ыс1теа = (2па / X)2 Ыореп г 1,2 109 мод.

Гравировка по металлу проводится на профессиональном оборудовании. Гравировка с высокой детализацией применяется для оформления подарков, памятных вещей.

В данном разделе приводится краткое описание когерентных свойств света, который излучается обычной лампой (лампой накаливания или га­зонаполненной лампой). Поскольку свет в этом случае обусловлен спон­танным излучением многих атомов, по существу …

В результате соударений частиц с электронами в объеме электрического разряда происходит постоянное образование электронов и ионов. Ударная ио­низация осуществляется присутствующими в разряде горячими электронами, т. е. теми, энергия которых больше …

определяется сравнением диаграмм направленности реальной антенны и ее непрерывного аналога в интересующем нас диапазоне углов.

В статье описан новый вариант интегральной фазированной антенной решетки - щелевая ИФАР. Данная антенна является дуальным аналогом предложенной ранее сотрудниками кафедры радиофизики СПбГПУ дипольной ИФАР.

В щелевой ИФАР, в отличие от дипольной, используется закрытый феррит-диэлектрический волновод, что дает данной антенне некоторые преимущества. На базе непрерывной модели найдены основные параметры антенны: коэффициент усиления, КПД, диаграмма направленности. Показано, что для практически интересных случаев непрерывная модель данной антенны дает точные результаты

список литературы

1. Zaitsev, E.F. MM-wave Integrated Phased Arrays with Ferrite Control [Текст] /E.F. Zaitsev, Yu.P. Yavon, Yu.A. Komarov // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. -March, 1994. -Vol. 42. -№ 3. -P. 1362-1368.

2. Зайцев, Э.Ф. Новые электрически сканирующие антенны миллиметрового диапазона волн [Текст] / Э.Ф. Зайцев, А.Б. Гуськов, А.С. Черепанов // Изв. вузов России. Сер. Радиоэлектроника. -2003. -№ 4. -С. 3-12.

3. Зайцев, Э.Ф. Анализ антенн с последовательным возбуждением раскрыва и электрическим сканированием на основе управляемых магнитогиротроп-ных структур [Текст] / Э.Ф. Зайцев, А.Н. Федотов, Ю.П. Явон // Деп в ВИНИТИ, №1120-В88.

4. Черепанов, А.С. Элементарная теория интегральных фазированных антенных решеток [Текст] / А.С. Черепанов, Э.Ф. Зайцев, А.Б. Гуськов. -СПб.: СПбГТУ, 1999 // Деп. в ВИНИТИ, №3849-В99.

Д.В. Дикий, А.С. Черепанов, В.К.Нужин

двухдиапазонная антенна на кольцевых резонаторах

бегущей волны

В ряде случаев на СВЧ удобно использовать кольцевую антенну бегущей волны . Это объясняется повышенным интересом многих областей радиотехники (радиолокации, радиотелеметрии, радиоуправления, космической радиосвязи и др.) к антеннам с эллиптической или вращающейся поляризацией.

Если в проводящем кольце (резонаторе бегущей волны - РБВ), длина которого кратна длине

волны Х (диаметр Б =-, где ш = 1, 2, 3, ...),

возбудить ток, меняющийся по закону бегущей волны с неизменной амплитудой 10, т. е. определяемый уравнением 1 = 10е-к5, где 10 - ток в начальной точке на кольце, имеющей координаты х = Я, у = 0, г = 0; 5 - длина дуги от начальной

точки до элемента М; 5 = Я<р"; к =- (рис. 1),

то создаваемое электрическое поле будет иметь две составляющие: меридиональную Е9 и азимутальную Еф. Причем обе составляющие сдвинуты

относительно друг друга по фазе на 90 °. Следовательно, получаем поле вращающейся (эллиптической) поляризации.

При этом в плоскости кольца (9 = 90 °) меридиональная составляющая поля Е9 обращается в нуль и остается лишь азимутальная составляющая Еф, т. е. получается линейно поляризованное поле. Под острым углом к оси кольца поле имеет эллиптическую поляризацию. Если по длине

кольца укладывается одна волна (ш =-= 1),

вдоль оси кольца получается поле, поляризованное по кругу. При длине кольца, равной двум, трем и т. д. волнам (ш = 2, 3, ...), излучение вдоль оси кольца отсутствует.

Конструкция антенны на РБВ

Применение кольцевых элементов в качестве элементарных вибраторов обеспечивает ряд эксплуатационных и конструктивных преимуществ по сравнению с линейными вибраторами: наличие

Рис. 1. Кольцевой излучатель - резонатор бегущей волны

эллиптической поляризации при использовании минимального числа вибраторов, возможность реализации в микрополосковом исполнении.

Кольцевой резонатор бегущей волны представляет собой свернутую в кольцо длинную линию. Возбуждение резонатора осуществляется с помощью направленного ответвителя на связанных линиях (рис. 2).

Для идеального симметричного направленного ответвителя матрица рассеяния имеет следующий вид:

ш^S12 = ш^ 5 +-.

Для нормированных волн, обозначенных на рис. 1, имеют место следующие соотношения:

а2 = Ь4е-(а+т)"", Ъ3 = ^ + 5,2 а4, Ъ1 = 512 а2 + 512 а3, Ъ4 = 513а2 + 512 а3, (3) Ъ2 = а1 + 513а4, а4 = Ъ2еАа-+т)1", где (а + ут) - постоянная распространения волны в кольце (т = -); I" - длина свободного X

участка кольца; X - длина волны.

При наличии согласованной нагрузки на выходе а3 = 0 , и из первых двух уравнений следует:

а2 = а2 513е-(а+^у.

Так как 813е-(а+м)1" * 0, то а2 = 0, и с учетом (3):

Ъ = а2 = Ъ 4 = 0.

1 - 513е-<а+м)1"

Рис. 2. Схема питания кольцевого излучателя

Анализ уравнений (4), (5) показывает, что на частоте, определяемой из равенства

Arg S13 + ml" = 2nn, n - целое (6)

и при условии, что затухание в кольце подчиняется соотношению

в системе имеет место кольцевой резонанс. При этом амплитуда волны Ъ2 в кольце усилена по сравнению с ах и составляет

Для ответвителя учетом унитарности матрицы S выполняется |S13| + |S121 = 1, и условие (7) переходит в равенство

1 - e~2al" = |S12|2. (9)

Тогда |b2| = Щ/|S12|, согласно (5) с учетом (2) b3 = 0, то есть вся мощность поглощается в кольце.

Если резонатор бегущей волны (РБВ) выполнить на открытой линии типа полосковой, то потери на излучение будут полезными, и таким образом получим антенну эллиптической поляризации.

В случае высокодобротного резонатора (аl" << 1, |S121« 11), когда |b21 « |aj , излучением из области петли связи можно пренебречь, и с учетом слабого затухания волны b2 по кольцу поляризация излученного в осевом направлении поля будет практически круговой. В случае слабой связи - arg S13 = ml" , где Г - длина участка

связи. Таким образом, в соответствии с (6) полная длина кольца I = V + Г на частоте резонанса составляет 2пп / т = пХ.

Интересующими параметрами облучателя на РБВ являются:

1) уровень мощности, прошедший из плеча 1 в плечо 3 НО, определяющий режекцию;

2) КПД, который в отсутствии омических потерь в элементах облучателя есть разность между падающей мощностью в плечо 1, отраженной от плеча 1 и прошедшей в плечо 3. Он совпадает с излученной облучателем мощностью, отнесенной к падающей.

Качественный вид АЧХ системы по КПД Р

П = -- (Р - излученная мощность) и по режек-Р

потерями с Р

потерями с ции У = показан на рис. 3 б, кривая 3. Как и

в любой резонансной системе, ширина резонансной кривой тем больше, чем больше потери в нем (в данном случае - это потери на излучение).

Расширение полосы требует увеличения затухания в кольце (что может быть достигнуто за счет увеличения ширины кольца и его высоты над экраном) и, соответственно, увеличения коэффициента связи 512 направленного ответвителя. То и другое влечет за собой ухудшение симметрии диаграммы направленности и ухудшает качество круговой поляризации. Поэтому хороших электродинамических (в частности, поляризационных) характеристик в такой конструкции излучающей структуры на РБВ удается достигнуть лишь при сравнительно узкой полосе частот.

Однако если несколько кольцевых РБВ связать каскадно направленными ответвителями (рис. 3 а), то в такой системе (как и в любой мно-горезонаторной) может быть получен эффект рас-

Рис. 3. Многорезонаторная система на РБВ (а) и примерный вид АЧХ по режекции у и КПД п (б)

ширения полосы пропускания и улучшение пря-моугольности АЧХ (рис. 3 б)

При этом в зависимости от величин коэффициентов связи 512 направленных ответвителей может быть реализована как многогорбая (кривая 1), например чебышевская, так и максимально плоская форма АЧХ (Баттерворта, кривая 2). Полоса режекции при достаточно жестко заданном допуске на ее качество оказывается большей, чем в случае однозвенного фильтра. Заметим, что излучающим является только верхнее кольцо, два других являются холостыми, не имеют потерь и не принимают участия в формировании поля излучения структуры.

Однако многорезонаторность как таковая не влияет на поле излучения конструкции. Для его улучшения (в основном качество поляризации) необходимо распределить связь излучающего кольца, причем таким образом, чтобы кольцо при этом оставалось излучающим.

Если две электродинамически не связанные линии соединить между собой несколькими слабо возмущающими поле в линиях элементами связи, размещенными с некоторым интервалом, то в некоторой полосе частот может возникнуть эффект направленной связи между линиями, даже при отсутствии направленности самих элементов связи, за счет интерференции падающих и отраженных волн. Наилучший эффект (в смысле широкопо-лосности) достигается при интервале между элементами связи в Направленность сов -нясяся

также и при другом интервале, важно лишь, чтобы он не был кратен половине длины волны.

Диаграмма направленности кольца (рис. 4) с бегущей волной тока постоянной амплитуды в дальней зоне имеет вид: , ni

H = [ Л-1 (n sin 9) - Jn+l (n sin 0)], 4r

К | = -JL[ Jn-1 (n sin 0) + Jn+1 (n sin 0)] cos 0, 4r°

где I° - амплитуда тока; r° - расстояние из фазового центра в точку наблюдения; Jn l ,Jn+l -функции Бесселя соответствующих порядков; H0, Hф - сферические компоненты вектора магнитного поля.

Фазовый сдвиг между H0 и Нф при любых п

n и 0 составляет -. Анализ выражений (1°) показывает, что резонансное кольцо излучает в осевом направлении 0 = ° лишь при п = 1 (I = X).

Если кольцо расположено над плоским проводящим экраном больших размеров, то с учетом зеркального изображения для l = X диаграмма направленности будет выглядеть следующим образом:

Н0 Jn-,(n sin 0) -

Jn+l(n sin 0)]sin I 2п - cos 0

H

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Ртах Рис. 4. Диаграмма направленности облучателя на РБВ по основной и кросс поляризациям

где Ь - высота излучающего кольца над экраном.

Рассчитанная диаграмма направленности антенны на РБВ по основной и кросс поляризациям при высоте кольца над экраном 0,01 X показана на рис. 4.

Конструктивные особенности двухдиапазонного облучателя на РБВ

Антенна на РБВ обладает тем полезным свойством, что позволяет совмещать антенны разных диапазонов, просто вставляя их друг в друга. В настоящей работе исследовалась двухдиапазон-ная антенна, предназначенная для использования в качестве облучателя радиотелескопа. Двухдиа-пазонный облучатель на РБВ представляет собой два облучателя на РБВ, вставленных один в другой на диапазон 3,5 и 13 см.

Средний диаметр излучающего кольца диапазона 3,5 см - 1,1 см, а для диапазона 13 см -4,1 см. При таких соотношениях диаметров колец проблем, связанных с совмещением двух облучателей, не возникает.

Необходимые полосы пропускания для диапазонов 3,5 и 13 см составляют 10 и 15 % соответственно. Такие полосы достигаются только в многорезонаторной конструкции при числе резонаторов не менее двух и при использовании четвертьволновой связи между резонаторами. В этом случае линейный размер облучателей составит около 3,5/4-2 = 2 см 13/4-2 = 8 см соответственно. При этом необходимо дополнительно учесть длину питающих кабелей, высоту излучающего кольца и обтекателя наиболее длинноволнового облучателя. Предварительно можно оценить вы-

Рис. 5. Фотография модели антенны

соту двухдиапазонного облучателя как 13-15 см. Максимальный диаметр составит 1,5-2 длины волны наиболее длинноволнового облучателя.

Проведены экспериментальные исследования макета антенны. Фотография исследуемой антенны приведена на рис. 5.

Измерение шумовой температуры антенны

Для измерения шумовой температуры применялась следующая методика. В качестве измерительного устройства использовался высокочувствительный приемник сантиметрового диапазона (конвертер), имеющий собственную шумовую температуру 17К. На выходе приемника с помощью измерительного прибора контролировалась интенсивность шумового сигнала. На вход приемного устройства первоначально помещалась эталонная антенна (гофрированный рупор).

1) калибровочное измерение эталонной антенны при комнатной температуре антенны (Т = 300 К) и при температуре жидкого азота (К = 77 К);

2) два измерения интенсивности шума при ориентации антенны на небо в зенит (Тнеба= 0 К, дополнительный шум за счет попадания излучения земли через боковые лепестки оценивался в 33 °К) и при ориентации антенны на землю (Т = 300 К);

3) эталонная антенна замещалась исследуемой и производились измерения интенсивности шума при ориентации антенны на небо и на землю.

По результатам данных измерений была получена оценка шумовой температуры исследуемой антенны, которая оказалась равной примерно 40 °К.

На рис. 6 приведены экспериментально снятые коэффициенты |531| (коэффициент передачи с входа 1 антенны на вход 3 - рис. 2) для обоих диапазонов. Малое значение |531| означает интенсивное излучение в пространство. Видно, что удалось получить эффективное излучение энергии в заданных диапазонах частот.

Антенны круговой поляризации, построенные на основе кольцевого резонатора бегущей волны, обладают целым рядом достоинств, таких, как

простота и изящность конструкции, компактность, высокое значение коэффициента усиления при малой высоте подвеса (низкосилуэтность);

возможность совмещения нескольких резона-

Частота, ГГц

7,5 8 8,5 Частота, ГГц

Рис. 6. Режекция энергии в модели двухдиапазонной антенны в диапазоне 13,5 см (а) и 3,5 см (б)

торов в виде концентрических колец;

простое разделение полей право- и левовин-товой поляризации по двум независимым каналам, что весьма ценно, например, в радиоастрономической аппаратуре, где подобное разделение необходимо для определения магнитного поля источника.

Недостаток описанной выше конструкции антенны на РБВ - трудность реализации широкой полосы при сохранении хороших характеристик излучения. Некоторым ограничением конструкции на РБВ является также неравномерное экранирующее действие петли связи, что приводит к ухудшению характеристик излучения.

список литературы

1. Богод, В.М. Многоволновой облучатель на резонаторах бегущей волны с единым фазовым центром для применения в радиоастрономии [Текст] / В.М. Богод, В.Н. Дикий, Я.В. Корольков [и др.] // Изв. САО. -1980. -Т. 17. -С. 124-130

2. Дикий, Д.В. Способ возбуждения бегущей волны тока в кольцевой рамке [Текст] / Д.В. Дикий. -СПб.: СПбГПУ, 2004. -Деп в ВИНИТИ 11.03.2004. -№ 426-В2004.

3. Дикий, Д.В. Увеличение направленности об-

лучателя на резонаторах бегущей волны путем сегментирования излучающего элемента [Текст] / Д.В. Дикий. -СПб.: СПбГПУ, 2004. -Деп. в ВИНИТИ 11.03.2004. -№ 425-В2004.

4. Дикий, Д.В. Криостатируемый многочастотный облучатель на резонаторах бегущей волны [Текст] / Д.В. Дикий, В.К. Нужин, А.С.Черепанов // Всерос. радиоастрономическая конф. Радиотелескопы, аппаратура и методы радиоастрономии. -СПб., 17-21 окт. 2011. -С. 74-75.

УДК 621.396.663

Г.С. Шарыгин, Д.В. Дубинин

оптимизация структуры кольцевой антенной решетки, используемой для определения углов прихода плоских электромагнитных волн фазовым методом

Определение углов прихода (пеленгование) - локационного наблюдения. В большинстве слу-одна из центральных задач при создании систем чаев задача пеленгования решается с помощью радионавигации, активного и пассивного радио- направленных антенн. Однако различные методы

Кольцевой резонатор

Кольцево́й резона́тор - оптический резонатор , в котором свет распространяется по замкнутой траектории в одном направлении. Объемные кольцевые резонаторы состоят из трёх или более зеркал , ориентированных так, что свет последовательно отражается от каждого из них совершая полный оборот. Кольцевые резонаторы находят широкое применение в лазерных гироскопах и лазерах . В волоконных лазерах применяют специальные конструкции волоконных кольцевых резонаторов, обычно имеющих вид замкнутого в кольцо оптического волокна с WDM-ответвителями для ввода излучения накачки и вывода генерируемого излучения.

См. также

• Резонатор Фабри - Перо

Литература

• Звелто О. Принципы лазеров = Principles of Lasers. - 3-е изд. - М .: Мир, 1990. - 558 с. - ISBN 5-03-001053-Х
• Agrawal G. P. Lightwave technology: components and devices. - Wiley-IEEE, 2004. - 427 p. - ISBN 9780471215738
• Agrawal G. P. Applications of nonlinear fiber optics. - 2nd ed. - Academic Press, 2008. - Vol. 10. - 508 p. - (Optics and Photonis Series). - ISBN 9780123743022

Ссылки

• Оптический резонатор - статья из Физической энциклопедии

Wikimedia Foundation . 2010 .

• Кольцевое (электродепо)
• Кольцевой ток

Смотреть что такое "Кольцевой резонатор" в других словарях:

кольцевой резонатор - Оптический резонатор, в котором распространение электромагнитных колебаний происходит по замкнутому контуру. [ГОСТ 15093 90] Тематики лазерное оборудование EN ring resonator … Справочник технического переводчика

кольцевой резонатор - žiedinis rezonatorius statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. ring cavity; ring resonator vok. Ringresonator, m rus. кольцевой резонатор, m pranc. résonateur annulaire, m … Fizikos terminų žodynas

кольцевой резонатор - Открытый резонатор, зеркала которого обеспечивают распространение электромагнитных волн по замкнутому контуру … Политехнический терминологический толковый словарь

КОЛЬЦЕВОЙ ЛАЗЕР - см. в ст. Оптический резонатор. Физическая энциклопедия. В 5 ти томах. М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988 … Физическая энциклопедия

Оптический резонатор - совокупность нескольких отражающих элементов, образующих открытый резонатор (в отличие от закрытых объёмных резонаторов, применяемых в диапазоне СВЧ), формирующих стоячую световую волну. Оптические резонаторы являются одним из основных элементов… … Википедия

ОПТИЧЕСКИЙ РЕЗОНАТОР - устройство, в к ром могут возбуждаться стоячие или бегущие эл. магн. волны оптич. диапазона. О. р. представляет собой совокупность неск. зеркал и явл. открытым резонатором, в отличие от большинства объёмных резонаторов, применяемых в диапазоне… … Физическая энциклопедия

Волоконный лазер - Цельноволоконный фемтосекундный эрбиевый лазер. Волоконный лазер лазер, активная среда и, возможно, резонатор которого являются элементами оптического … Википедия

Лазерный гироскоп - Схема лазерного гироскопа. Здесь луч лазера циркулирует с помощью зеркал и постоянно усиливается лазером (а точнее квантовым усилителем). Замкнутый контур имеет ответвление через полупрозрачное зеркало (или, например, через щель) в датчик на базе … Википедия

Лазер в форме восьмёрки - Волоконный лазер с кольцевым резонатором в виде восьмерки. In: излучение накачки. Out: выходное излучение. 1: активное волокно. 2: поляризатор. 3: оптический изолятор. 4 WDM ответвитель. 50:50 делитель 50/ … Википедия

История изобретения лазеров - 1917 А. Эйнштейн представляет концепцию вынужденного излучения 1920 И. Франк и Ф. Райхе подтвердили существование метастабильных состояний в возбужденном состоянии 1927 Поль Дирак создает квантовую теорию вынужденного излучения 1928 Р. Ладенбург… … Википедия