WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

потерь объемной композиции BaSrTiO3 и MgO составиДля определения мощности диэлектрических потерь в ли 5 · 10-3 на 10 GHz. Мы предполагаем использовать волноводе производится интегрирование удельной мощматериал, представляющий собой композицию BaSrTiO3 ности потерь по области сегнетоэлектрика и диэлектрис оксидом магния с добавлением инертного несегнетока wd = d E · dV.

электрического наполнителя из традиционной высокодо- V Проводимость материала d определяется из услобротной линейной керамики для уменьшения диапазона вия (19) вариации диэлектрической постоянной с 800... d до 180... 320 [7]. Снижение рабочих значений диэлек- tg =.

трической проницаемости сегнетоэлектрика позволит Найдем мощность диэлектрических потерь в сегнетонаряду с уменьшением тангенса угла потерь в веществе электрике и диэлектрике, для чего воспользуемся компоснизить потери в примыкающей к сегнетоэлектрику нентами поля E, полученными на основе выражений (18) металлической оболочке волновода. В представленных ниже зависимостях энергетических потерь значение tg 2 для кильватерного поля за релятивистским заряженным сгустком, принято равным 5 · 10-3 во всем диапазоне вариации 2.

В отличие от диэлектрика, в качестве которо- го используются материалы с низким тангенсом wd = 1 tan 1 E · dV + 2 tan 2 E · dV, угла диэлектрических потерь (tg 1 10-4), у сегнеV V Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. 94 А.М. Альтмарк, А.Д. Канарейкин, И.Л. Шейнман Глубина скин-слоя определяется частотой электромагнитного поля и проводимостью металла m c =.

2µm На рис. 5, a представлена зависимость отношения суммарных энергетических потерь к запасенной энергии в волноводе от его внешнего радиуса волновода Rw при 1 = 9.4. С ростом толщины сегнетоэлектрического слоя относительные потери резко возрастают. Следует также отметить, что наличие сегнетоэлектрического слоя не только обусловливает рассеяние в нем значительной доли энергии, но и увеличивает потери в металлической оболочке. В итоге вклад потерь в сегнетоэлектрике и металлической оболочке в общие потери энергии в системе оказывается определяющим и резко нарастает с ростом диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрика (рис. 5, b). Это ведет к ограничению допустимой толщины сегнетоэлектрической пленки и ограничивает возможности оперативной частотной регулировки кильватерного волновода.

Управление сегнетоэлектриком:

конфигурация электродов Рис. 5. a — зависимость величины относительных потерь На рис. 6, a показана диэлектрическая ускоряющая энергии от внешнего радиуса волновода: 1 – 2 = 320, 2 — структура с сегнетоэлектрическим слоем, управляемая 250, 3 — 180; b — зависимость величины относительных внешним электрическим постоянным полем.

потерь энергии от диэлектрической проницаемости 2 сегнеПостоянное напряжение на электродах (с напряжентоэлектрика. Параметры волновода: Rc = 0.5cm, Rd = 0.7cm, ностью 10 V / µm для используемого материала), поRw = 0.715 cm; 1 — полные потери, 2 — магнитные потери, мещенных с внешней стороны сегнетоэлектрической 3 — потери в сегнетоэлектрике, 4 — потери в диэлектрике.

пленки, позволяет изменять диэлектрическую проницаемость сегнетоэлектрика и таким образом перестраивать основную частоту ускоряющей структуры. Для создания электродов планируется использовать хорошо развитую откуда получаем современную технологию, основанную на литогрфии и микротравлении. Эта технология широко используется Rd при разработке перестраиваемых высокочастотных фаwd = 1 tan 1 Ez (r)2 + Er(r)2 2rl dr зовращателей и фильтров на основе тонких сегнетоRc электрических пленок [11–13]. Для применения этой технологии в настоящем проекте необходимо решить Rw следующие основные вопросы: конфигурация электродов + 2 tan 2 Ez (r)2 + Er(r)2 2rl dr, Rd где l — длина волновода.

Мощность потерь в проводнике находится как вещественная часть потока комплекса вектора Пойнтинга, проходящего внутрь проводника через его полную поверхность, и определяется касательной компонентой напряженности магнитного поля H на границе с проводником Рис. 6. Конфигурация микроэлектродов для сегнетоwm = H ds. электрико-керамической перестраиваемой ускоряющей струк2m туры, d = 60 µm. a —общий вид, b —подробно.

S Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. Управляемая ускорительная кильватерная структура с диэлектрическим заполнением должна поддерживать соответствующие моды, необходи- электродов и слоя поглощающего материала (феррита), мые для реализации ускорения (E0N в случае рассматри- покрытого металлической оболочкой радиуса Rw.

ваемой структуры); получение максимальной амплитуды Предлагаемое продольное расположение управляюпроникающего в сегнетоэлектрический слой постояннощих микроэлектродов предназначено, чтобы поддержиго поля для увеличения диапазона управляемости (до вать только продольные ускоряющие электрические мо10 V / µm для используемого материала) при обеспечеды кильватерного СВЧ поля. Это позволит использовать нии однородности управляющего поля; конфигурация проводящие микрополосы, нанесенные на поверхность электродов должна также удовлетворять условию минисегнетоэлектрика, не только как контакты для создания мизации потерь, внесенных в систему.

постоянного управляющего поля, но также и в качестве На рис. 6, b показаны специфические размеры струксистемы подавления поперечных отклоняющих мод [18].

туры микроэлектродов для 10-13 GHz ускоряющего При разработке приведенной выше топологии авволновода. Для сегнетоэлектрической пленки толщиной торы использовали метод фильтра E. Chojnacki [19], 180-220 µm, которая предназначена для управления кесостоящий в подавлении поперечных отклоняющих мод рамическим волноводом со средней частотой 11 GHz, соволновода посредством продольной анизотропии внешгласно нашим расчетам, оптимальное отношение h = 3d, него проводящего волновода взамен сплошной внешней где h — толщина слоя, d — ширина полосы. Промежуизотропной металлизации. Основная идея подавления ток между электродами также приблизительно должен поперечных мод путем создания чисто продольной пробыть равен d. Для частот 10-13 GHz указанная величиводимости оболочки волновода посредством продольна d составляет 50-60 mm. Постоянное электрическое ных изолированных проводников была первоначально поле 0.5-1 kV прикладывается поперек этого промепредложена в [19], численное моделирование и первая жутка, чтобы обеспечить создание управляющего поля экспериментальная демонстрация приведены в [20].

порядка 10 V / µm.

Гибридные моды для диэлектрических волноводов требуют поддержания как осевого, так и азимутального поверхностного электрического тока в оболочке волУправляемая кильватерная новода. Если же внешний проводник допускает только ускорительная структура осевой поверхностный ток (очевидно, это соответствус возможностью селекции мод ет нашей конфигурации рис. 6, a), отклоняющие моды будут абсорбироваться за пределами окруженного проНаряду с продольными полями в кильватерных волдольными электродами пространства волновода, затухая новодах возбуждаются столь же значительные поперечв форме поверхностных волн внутри микроволнового ные поля, которые вызывают отклонение пучка от оси поглотителя вокруг структуры. В результате выбранная волновода и попадание частиц на стенки структуры, тем специальная конфигурация микрополос электродов обессамым вызывая потери заряда сгустков и поверхностный печивает распространение в волноводе только системы электрический пробой материала диэлектрика [17].

моды E0N с продольной компонентой электрического На рис. 7 приведена предлагаемая конструкция мнополя, что и необходимо для реализации процесса ускогослойного сегнетоэлектрико-керамического перестраирения.

ваемого ускоряющего волновода. Она состоит из слоя Для исследования влияния дополнительного ферритовысокодобротной керамики с внутренним вакуумированвого слоя на структуру полей запишем выражения Ez, ным каналом радиуса Rc и внешним радиусом Rd, тонHz для каждой из областей волновода кого слоя сегнетоэлектрического материала радиуса R f с внешними микрополосами продольных изолированных 0 r Rc, AI(0r) C1J(1r) +D1N(1r) Rc r Rd, gen Ez = E J(2r) - J(2Rw) N(2r) Rd r R, f N(2Rw) 0 R r Rw, f (20) 0 r Rc, BI (0r) C2J(1r) +D2N(1r) Rc r Rd, Hz = E2J(2r) +F2N(2r) Rd r R, f G J(3r) - J(3Rw) N(3r) R r Rw, f N(3Rw) Рис. 7. Перестраиваемый ускоряющий волновод с подавлением поперечных отклоняющих мод. (21) Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. 96 А.М. Альтмарк, А.Д. Канарейкин, И.Л. Шейнман где (23µ3 - 1) 3 = k, µ3 = µr3 - jµi3 — комплексная магнитная проницаемость феррита, 3 — диэлектрическая проницаемость феррита.

Используя граничные условия непрерывности тангенциальных компонент напряженностей электрического и магнитного полей на границах раздела сред, а также равенство нулю продольной компоненты электрическоРис. 8. Затухание радиального отклоняющего поля в заго поля, обусловленное проводящими электродами, на висимости от расстояния за сгустком для Rc = 0.5cm, границе раздела сегнетоэлектрика и феррита из выраже- Rd = 0.58 cm, R = 0.582 cm, Rw = 0.6cm, 1 = 16, 2 = 200, f параметры феррита µ3r = 3, µ3i = 3, 3 = 20. 1 — профиль ний (12), (13), (20), (21) получим дисперсионное уравраспределения заряда сгустка, 2 — радиальная составляющая нение и поля для указанной многослойной структуры.

кильватерного поля.

Численное моделирование и экспрементальная демонстрация показали [20], что на ускоряющие поля аксиально-проводящая граница не влияет и в то же самое время поперечные поля экспоненциально затухают на протяжении нескольких периодов (рис. 8).

На рис. 9 показана структура радиального поля первой поперечной моды волновода от расстояния z за сгустком с зарядом Q = 100 nC, длиной 0.4 cm, смещенного относительно оси волновода на r0 = 0.001 cm для трех различных толщин феррита Dfer. Параметры феррита взяты из статьи [19]. Из рис. 9 видно, что увеличение толщины ферритового слоя наряду с поглощением энергии в нем (характеризующимся экспоненциальным спаданием амплитуды отклоняющей моды внутри волновода) приводит также к дополнительному снижению амплитуды отклоняющего поля в вакууми- Рис. 9. Зависимость амплитуды радиального отклоняющего рованной части волновода. Этот эффект возникает за поля волновода от расстояния z за сгустком для трех толщин феррита. 1 — Dfer = 0.002, 2 — 0.004, 3 —0.05 cm.

счет перераспределения поля за пределы окруженного продольными электродами пространства волновода. При позиционировании ускоряющих и ускоряемых электронных сгустков на расстояния z = 25... 27 cm друг от отклоняющих полей в волноводе позволит частично или друга (что соответствует примерно 10, где —длина в полной мере отказаться от традиционной фокусируюволны, для основной частоты волновода 11.41 GHz) щей электронный пучок магнитной системы, тем самым радиальное поле первой моды подавляется в 100 и более значительно упрощая конструкцию ускорительного волраз и становится сравнимым или меньшим амплитуды новода.

отклоняющей силы для нулевой моды. Последняя же, согласно нашим расчетам, не превышает 100 V / m для приведенной геометрии и в отсутствие дополнительного Выводы слоя феррита в традиционном волноводе пренебрежимо мала по сравнению с амплитудой радиальной силы Показана возможность управления частотным спекпервой моды. тром кильватерного поля, генерируемого электронным Таким образом, продольная структура электродов, сгустком в ускорительной структуре, посредством измеиспользуемая для управления диэлектрической посто- нения диэлектрической проницаемости тонкого сегнетоянной сегнетоэлектрика, в сочетании с дополнительной электрического слоя на поверхности диэлектрического поглощающей оболочкой позволяет обеспечить подав- (керамического) волновода. Вариация диэлектрической ление поперечных отклоняющих мод при сохранении проницаемости сегнетоэлектрика осуществляется измевсех преимуществ возможности управления частотным нением амплитуды электрического поля, приложенного спектром волновода. к микроэлектродам, нанесенным на внешнюю сторону Следует отметить, что свойства феррита сильно зави- управляющего слоя.

сят от величины постоянного магнитного поля, которое Уменьшение диэлектрической проницаемости сегнеприсутствует в ускорительной установке (фокусирую- тоэлектрика ведет к увеличению частоты и амплитуды щие системы и т. п.). Однако указанное подавление кильватерного поля в ускорительной структуре. В свою Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. Управляемая ускорительная кильватерная структура с диэлектрическим заполнением очередь энергетические потери ведут к ограничению [8] Болотовский Б.М. // УФН. 1961. Т. 75. Вып. 2. С. 295–350.

толщины сегнетоэлектрического слоя и снижают воз- [9] King-Yuen Ng. Wakefields in Dielectric-lined Waveguide.

FN-533. 1990. P. 1–11.

можности оперативной частотной регулировки кильва[10] Rosing M., Gai W. // Phys. Rev. D. 1990. Vol. 42. N 5.

терного волновода. Выбор определенной толщины слоя P. 1829–1834.

сегнетоэлектрика осуществляется исходя из требуемого [11] Wu H.-D., Barnes F.S. // Int. Ferr. 1998. Vol. 22. P. 300–305.

диапазона регулировки частоты кильватерного поля.

[12] Вендик О. Сегнетоэлектрики в технике СВЧ. М.: Радио, Выбор особой конфигурации управляющих сегнето1979. 272 с.

электриком электродов в сочетании с дополнительной [13] Van Keuls F.W. et al. // Int. Ferr. 2001. Vol. 34. P. 165–176.

поглощающей оболочкой позволяет добиться наряду со [14] Sengupta L., Sengupta S. // IEEE Trans. on Ultrasonics, спектральным управлением также и подавления отклоFerroelectrics and Frequency Control. 1997. Vol. 44. N 4.

няющих мод волновода для поперечной стабилизации P. 792–797.

[15] Sengupta L. Paratek Microwave Ferroelectric Materials and пучка.

Microwave Applications. IMS-2000. Boston (MA), 2000.

Предложенная технология многослойных перестраи[16] Nenasheva E.A., Kanareykin A.D., Kartenko N.F., Karваемых волноводов может также быть распространена manenko S.F. // J. Electroceramics. 2003. In Press.

на различные аспекты мощных высокочастотных уско[17] Gai W., Kanareykin A., Kustov A., Simpson J. // Phys. Rev.

рительных устройств типа перестраиваемых СВЧ переE. 1997. Vol. 55. N 3. P. 3481–3488.

ключателей и компрессоров импульсов [21]. Кроме того, [18] Альтмарк А.М., Канарейкин А.Д., Шейнман И.Л. // открыто направление для будущих исследований — в Письма в ЖТФ. 2003. Т. 29. Вып. 20. С. 58–64.

области изучения нелинейных эффектов в многослойных [19] Chojnacki E. et al. // J. Appl. Phys. 1991. Vol. 69. P. 6257.

структурах [22], где высокочастотное кильватерное поле, [20] Gai W., Ching-Hung Ho. // J. Appl. Phys. 1991. Vol. 70. N 7.

P. 3955–3957.

Pages:     | 1 || 3 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.