• Українська
  • English
  • Русский
ISSN 2415-3400 (Online)
ISSN 1028-821X (Print)

Квазиоптические твердотельные генераторы электромагнитных волн миллиметрового диапазона

Рубрика: 
МИКРОВОЛНОВАЯ И ТЕРАГЕРЦЕВАЯ ТЕХНИКА
Белоус, ОИ, Кириленко, АА, Натаров, МП, Сиренко, СП, Фисун, АИ, Шубный, АИ
Organization: 

Институт радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова НАН Украины
12, ул. Акад. Проскуры, Харьков, 61085, Украина
E-mail: afis@ire.kharkov.ua
https://doi.org/10.15407/rej2018.04.067
Язык: русский
Аннотация: 

Предмет и цель работы. Предметом исследования являются открытые резонансные системы, используемые в качестве колебательных контуров квазиоптических твердотельных генераторов, и собственно характеристики квазиоптических генераторов. Цель работы – обзор научных результатов по разработке и исследованию квазиоптических твердотельных генераторов в отделе твердотельной электроники от зарождения идеи до разработки реальных источников излучения с повышенными спектральными характеристиками.

Методы и методология работы. Проанализированы экспериментальные и теоретические методы исследования основных параметров: спектра, топологии полей открытых резонаторов с резонансными и нерезонансными неоднородностями. С этой целью использованы волноводная модель резонатора, метод декомпозиции и обобщенной матрицы рассеяния, а также экспериментальные методики измерения спектра, мощности, частоты. 

Результат работы. Исследованы и разработаны квазиоптические твердотельные генераторы с уровнем частотного шума не хуже –115…120 дБ/Гц, мощностью генерации на первой гармонике – до 130…150 мВт на частоте 40…50 ГГц, на второй гармонике – до 10 мВт на частоте 60…90 ГГц. Мощность генерации на частоте 150 ГГц – не менее 3 мВт. Долговременная нестабильность частоты составляет 3×10–8 при активном термостатировании DТ ~ 0,1 °С.

Заключение. В работе проанализированы области применения твердотельных квазиоптических источников: гетеродины в приемных устройствах, рефрактометрия, диэлектрометрия и другие направления, где необходимы высокая стабильность и низкий уровень частотных шумов. Определены перспективные направления поиска новых физических явлений для создания нелинейных элементов в терагерцевом диапазоне частот.
Ключевые слова: вторая гармоника, декомпозиция, диод Ганна, дифракционная решетка, импеданс, квазиоптика, квазиоптический твердотельный генератор, лавинно-пролетный диод, нелинейный элемент, обобщенная матрица рассеяния, открытый резонатор, стабильность частоты, частотный шум

Статья поступила в редакцию 29.10.2018
PACS: 84.30.Ng
УДК 537.86+621.373.14
Radiofiz. elektron. 2018, 23(4): 67-94
Полный текст (PDF)

References: 

 

  1. Квазиоптика. Пер. с англ. и нем. под ред. Б. З. Каце-неленбаума, В. В. Шевченко. Москва: Мир, 1966. 504 с.
  2. Жаботинский М. Е., Шмаонова Т. А. Лазеры. Москва: Иностр. лит., 1963.
  3. Handbook of Microwave and Optical Components. Vol. 1. Microwave Passive and Antenna Components. Kai Chang (ed.). New York: J. Wiley, 1989. 907 p.
  4. Goubau G., Schwering F. On the Guided Propagation of Electromagnetic Wave Beams. IRE Trans. Anntenas Propag. 1961. Vol. 9, N 3. P. 248–256.
  5. Fox A. C., Li T. Resonant Modes in a Maser Interfero-meter. Bell Syst. Techn. J. 1961. Vol. 40, N 2. P. 453–488.
  6. Вайнштейн Л. А. Открытые резонаторы и открытые волноводы. Москва: Сов. радио, 1966.
  7. Schawlow A. L. Infrared and optical masers. In: Quantum Electronics. A Symposium, ed. C. Townes. New York: Columbia University Press, 1960. P. 553.
  8. Kogelnik H., Li T. Laser Beams and Resonators. Appl. Opt. 1966. Vol. 5, N 10. P. 1550–1567.
  9. Heriott D. R. Optical Properties of He-Ne Laser. J. Opt. Soc. Am. A. 1962. Vol. 52, N 1. P. 31–35.
  10. Левин Г. Я., Бородкин А. И., Кириченко А. Я., Чурилова С. А., Усиков А. Я. Клинотроны. Под ред. А. Я. Усикова. Киев: Наукова думка, 1992. 200 с.
  11. Шестопалов В. П. Дифракционная электроника. Харьков: Изд. ХГУ, 1976.
  12. Smith S. J., Pursell E. M. Visible light from localized surface charges moving across grating. Phys. Rev. 1953. Vol. 92, N 4. P. 1069–1073.
  13. А. c. № 195557 СССР, МПК H01J 23/20, H01J 25/00. Электронный прибор для генерации и усиления колебаний мм и субмм диапазонов волн / Ф. С. Русин, Г. Д. Богомолов. 1965. Бюл. № 10.
  14. Mizuno K., Ono C. and Schibatu Y. A new electron tube with a Fabry-Perot resonator for generation in millimeter and submillimeter waves. Proc. Symp. Submillimeter Waves. New York: Politechnic Press, 1970. P. 115–134.
  15. Miroshnichenko V. S. Competition and Cooperation of Modes in Small-Volume DRO with Periodic Structure of Coupled Grooved Waveguide. Telecommunications and Radio Engineering. 2009. Vol. 68, N 3. P. 231–245.
  16. Васильев Н. А., Лукаш В. С., Муравьев В. В., Шалатонин В. И. Состояние и основные проблемы разработки генераторов мм-диапазона на диодах Ганна. Изв. вузов. Радиэлектроника. 1985. Т. 28, № 10. С. 42–50.
  17. Тагер А. С., Вальд-Перлов Б. М. Лавинно-пролетные диоды и их применение в технике СВЧ. Москва: Сов. радио, 1968. 480 c.
  18. Косарев Е. Л. Разрежение спектра открытого резонатора с помощью эшелеттной решетки. Письма в Журн. эксперим. и теорет. физики. 1966. Т. 3, № 7. С. 295–298.
  19. Фельдштейн А. Л., Ярвич Л.Р. Синтез четырехполюсников и восьмиполюсников на СВЧ. Москва: Связь, 1971. 388 с.
  20. А. c. № 675579 СССР. МПК H03B 9/12. Полупроводниковый генератор / А. И. Бородкин, Б. М. Булгаков, В. А. Матвеева, В. В. Смородин. 1979. Бюл. № 27.
  21. Бородкин А. И., Булгаков Б. М., Матвеева В. А., Родионов А. В., Смородин В. В., Шестопалов В. П. Полупроводниковый генератор миллиметрового диапазона с квазиоптической резонансной системой. Письма в Журн. техн. физики. 1979. № 5. С. 285–288.
  22. Бородкин А. И., Булгаков Б. М., Матвеева В. А., Родионов А. В., Смородин В. В., Шестопалов В. П. Полупроводниковый генератор с квазиоптической резонансной системой. Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ. 1979. Вып. 3. С. 13–19.
  23. Бородкин А. И., Булгаков Б. М., Смородин В.В. Полупроводниковый генератор с колебательной системой – открытый резонатор с отражательной дифракционной решеткой. Письма в Журн. техн. физики. 1980. № 19. С. 1189–1193.
  24. Арендарь В. Н., Прохоров Э. Д. Перескоки частоты в генераторах Ганна. Радиотехника и электроника. 1973. Т. 18, № 6. С 1320–1322.
  25. Шестопалов В. П., Кириленко А. А., Масалов С. А., Сиренко Ю. К. Резонансное рассеяние волн. Т. 1. Дифракционные решетки. Киев: Наукова думка, 1986. 232 с.
  26. Коцержинский Б.А., Мачусский Е.А., Першин Н.А., Тараненко В.П. Твердотельные генераторы с квазиоптическими резонансными системами. Изв. вузов. Радиоэлектроника. 1987. Т. 30, № 10. С. 13–23.
  27. Mizuno K., Ajikata T., Hieda M., Nakayama M. Quasi-Optical Resonator for MM and Submm Wave Solid-State Sourses. Electron. Lett. 1988. Vol. 24, N 13. P. 792–793.
  28. Nagano S., Ohnaka S. A highly stabilized Ka-band Gunn oscillator. IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 1972. Vol. 20, N 2. P. 174–176.
  29. Булгаков Б. М., Скресанов В. Н., Фисун А. И., Фурсов А. М. Исследование квазиоптического открытого резонатора с одной или несколькими проводящими пластинами между зеркалами. Радиотехника: науч.-техн. сб. Нац. ун-т радиоэлектрон. Харьков, Украина, 1981. № 56. С. 21–29.
  30. Булгаков Б. М., Кочин В. Н., Скресанов В. Н., Фисун А. И., Шубный А. И. Возбуждение длинной прямоугольной канавки в плоском зеркале полусферического открытого резонатора. Физика и техника мм и субмм волн. Киев: Наук. думка, 1983. С. 44–49.
  31. Булгаков Б. М., Скресанов В. Н., Фисун А. И., Шубный А. И. Селекция продольных низших типов колебаний открытого резонатора миллиметрового диапазона продольными резонансными неоднородностями. Радиотехника и электроника. 1984. Т. 29, № 5. С. 894–900.
  32. Булгаков Б. М., Скресанов В. Н., Фисун А. И. Исследование открытых резонаторов с прямоугольными неоднородностями на зеркале. Изв. вузов. Радиофизика. 1983. Т. 26, № 4. С. 447–454.
  33. Измерения на миллиметровых и субмиллиметровых волнах. Под ред. В. А. Валитова, Б. И. Макаренко. Москва: Радио и связь, 1984. 296 с.
  34. А. c. № 1309870 СССР, МПК H03B 7/14, H03B 9/12. Генератор СВЧ / О. И. Белоус, Б. М. Булгаков, А. И. Фисун, А. М. Фурсов. 1989. Бюл. № 43.
  35. Техника субмиллиметровых волн. Под ред. Р. А. Вали-това. Москва: Сов. радио. 1969. 480 с.
  36. Никольский В. В., Никольская Т. И. Декомпозиционный подход к задачам электродинамики. Москва: Наука, 1983. 304 с.
  37. Митра Р., Ли С. Аналитические методы теории волноводов. Пер. с англ. под ред. Г. В. Воскресенского. Москва: Мир, 1974. 323 с.
  38. Кириленко А. А., Ткаченко В. И. Системы электродинамического моделирования СВЧ-КВЧ устройств. Изв. вузов. Радиоэлектроника. 1996. Т. 39, № 9. С. 17–28.
  39. Белоус О. И., Кириленко А. А., Фисун А. И. Квазиоптические резонансные системы в приборах твердотельной электроники мм и субмм диапазонов длин волн. Радиофизика и электроника: сб. науч. тр. Ин-т радиофизики и электрон. НАН Украины. Харьков, 2008. Т. 13, спец. вып. С. 376–390.
  40. Fisun A. I. Method for Analysis of Open Resonator with Step-like Deformation of Mirrors. Electron. Lett. 1998. Vol. 34, N 2. P. 192–193.
  41. Belous O. I., Kirilenko A. A., Tkachenko V. I., Fisun A. I., Fursov A. M. Excitation of an open stripline resonator by a plane waveguide. Radiophys. Quantum Electron. 1994. Vol. 37, N 3. P. 181–189.
  42. Фисун А. И., Ткаченко В. И., Белоус О. И., Кириленко А. А. Возбуждение колебаний в открытых резонаторах с эшелеттным и уголково-эшелеттным зеркалами. Радиотехника и электроника. 2000. Т. 45, № 5. С. 632–639.
  43. Tkachenko V. I., Fisun A. I. Simulation of natural oscillations in a corner-echelette open resonator. Telecommunications and Radio Engineering. 1998. Vol. 52, N 2. P. 42–46.
  44. Fisun A. I. Monofrequency excitation of open resonator with inclined comb grating. Int. J. Infrared Millimeter Waves. 1997. Vol. 18, N 7. Р. 2353–2367.
  45. Белоус О. И., Кириленко А. А., Фисун А. И. Спект-ры квазиоптического открытого резонатора с гребенчатой решеткой. Изв. вузов. Радиоэлектроника. 1998. Т. 41, № 4. С. 8–13.
  46. Fisun A. I. Millimeter wave band open resonators with additive restriction of resonant space. Int. J. Infrared Millimeter Waves. 1997. Vol. 18, N 12. P. 2353–2367.
  47. Фисун А. И. Высокодобротные резонансы в открытых резонаторах с частично ограниченной областью. Докл. НАН Украины. 1997. № 12. С. 97–102.
  48. Fisun A. I. Constructive synthesis of dispersive oscillation systems of quasi-optical solid-state millimeter wave sources. Electromagnetic Waves and Electronic Systems. 1997. Vol. 2, N 5. P. 37–43.
  49. Гламаздин В. В., Натаров М. П., Скресанов В. Н., Шубный А. И. Радиационные потери сосредоточенных элементов связи открытых резонаторов. Радиофизика и электроника. 2011. Т. 2(16), № 3. С. 12–25.
  50. Гламаздин В. В., Натаров М. П., Скресанов В. Н., Шубный А. И. Эффективность возбуждения квазиоптического открытого резонатора из волновода. Изв. вузов. Радиофизика. 2009. Т. 52, № 3. С. 231–249.
  51. Булгаков Б. М., Скресанов В. Н., Фисун А. И., Шубный А. И. Энергетические характеристики генератора с квазиоптическим резонатором на диоде Ганна. Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ. 1984. Вып. 3(363). С. 13–19.
  52. Белоус О. И., Булгаков Б. М., Скресанов В. Н., Фисун А. И., Шубный А. И. Квазиоптический генератор Ганна с увеличенным диапазоном перестройки. Приборы и техн. эксперимента. 1988. № 1. С. 125–127.
  53. Булгаков Б. М., Скресанов В. Н., Фисун А. И., Шубный А. И. Квазиоптический генератор с ра-диально-волноводным возбуждением. Там же. С. 114–116.
  54. Архипов А. В., Белоус О. И., Булгаков Б. М., Фурсов А. М., Фисун А. И. Квазиоптические генераторы на диоде Ганна и ЛПД с открытым резонатором. Приборы и техн. эксперимента. 1991. № 1. С. 106–109.
  55. Belous O. I., Sukhoruchko O. N., Fisun A. I. Power and Spectrum Performance of Quasi-Optical Solid-State MM-Wave Oscillator. Telecommunications and Radio Engineering. 2006. Vol. 65, N 16. P. 1501–1523.
  56. Выровой С. И., Гуменной С. Н., Цвирко Ю. А. Сравнение одноконтурных схем стабилизации генераторов на активных двуполосниках. Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ. 1976. № 3. С. 47–58.
  57. Бородкин А. И., Булгаков Б. М., Скресанов В. Н., Натаров М. П., Шубный А. И. Двухчастотный двухдиодный квазиоптический генератор мм диапазона. Изв. вузов. Радиоэлектроника. 1991. Т. 34, № 3. С. 96–98.
  58. Фурсов А. М., Булгаков Б. М., Фисун А. И. Двухчас-тотная осинхронная устойчивая генерация диода Ганна в открытой резонансной системе. Изв. вузов. Радиоэлектроника. 1983. Т. 26, № 10. С. 80–81.
  59. Mink J. N. Quasi-Optical Power Combing of Solid-State Millimeter-Wave Sources. IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 1986. Vol. 34, N 2. P. 273–279.
  60. Бородкин А. И., Булгаков Б. М., Смородин В. В. Сложение мощностей нескольких генераторных полупроводниковых диодов в квазиоптической резонаторной системе. Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ. 1980. № 3. C. 14–19.
  61. Булгаков Б. М., Натаров М. П. Исследование эффективности возбуждения открытых резонансных систем Радиофизика и электроника: сб. науч. тр. Ин-т радиофизики и электрон. НАН Украины. Харьков, 2003. Т. 8, № 2. С. 175–179.
  62. Булгаков Б. М., Натаров М. П., Скресанов В. Н. Характеристики возбуждения открытого резонатора системой электрических диполей. Радиофизика и электроника: сб. науч. тр. Ин-т радиофизики и электрон. НАН Украины. Харьков, 2006. Т.11, № 3. С. 366–371.
  63. Фисун А. И., Белоус О. И. Квазиоптические твердотельные источники излучения: принципы построения, тенденции развития и перспективы приложения. Зарубежная радиоэлектроника. Успехи современной радиоэлектроники. 1999. № 4. С. 41–64.
  64. Skresanov V. N., Glamazdin V. V., Fisun A. I., Shubnyi A. I. Active Quasi-Optical Refractometer in the extremely High Frequencies (EHF) Band. Telecommunications and Radio Engineering. 2016. Vol. 75, N 1. P. 83–96.
  65. Пристрій для вимірювання діелектричної проникності біологічних рідин у КВЧ-діапазоні електромагнітного випромінювання: пат. 109779, Україна: МПК G01N 33/483 / П. С. Красов, А. І. Фісун, К. А. Архипова. 12.10.2015. Бюл. № 19.
  66. Arkhypova K., Krasov P., Fisun A., Nosatov A., Lychko V., Malakhov V. Microwave Dielectrometry as a Tool for the Characterization of Blood Cell Membrane Activity for in vitro Diagnostics. Int. J. Microwave Wireless Technolog. 2017. Vol. 9, N 8. P. 1569–1574.
  67. Красов П. С., Белоус О. И., Волох Ф. А., Фисун А. И., Малахов В. А. Эффекты миллиметровых волн в медицине: от теории до практики. Харьков: Оригинал, 2018. 176 с.
  68. Storozhenko I. P. Frequency Characteristics of Diodes with Intervaly Electron Transfer that Based an Variband Inx(z)Ga1–x(z)As with Various Cathode Contacts. J. Commun. Technol. Electron. 2007. Vol. 52, N 10. P. 1158–1164.