Электромагнитные кристаллы с плазменными неоднородностями

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ КРИСТАЛЛЫ С ПЛАЗМЕННЫМИ НЕОДНОРОДНОСТЯМИ

,

Институт физики НАН Беларуси

E-mail: m. *****@***

В течение последнего десятилетия наблюдается повышенный интерес к перестраиваемым устройствам СВЧ для применения в телекоммуникационных системах [1]. Для создания скоростных перестраиваемых устройств СВЧ на основе электромагнитных кристаллов (ЭК) необходимо использовать элементы из материалов, свойства которых меняются под воздействием внешних электрических (магнитных) полей. Такого рода элементом может выступить плазма благодаря своей изменчивости по размеру, плотности и геометрии при изменении разрядного тока [2]. В [3, 4] представлены одномерный плазменный ЭК, сформированный положительными столбами разрядов при пониженном давлении в волноводе, и двумерный ЭК из медных стержней с плазменным дефектом в основании, обладающие полосовыми спектрами пропускания в диапазоне 7‑12 ГГц. В данной работе представлены результаты исследования ЭК, в которых роль управляющих неоднородностей выполняли плазменные столбы импульсных разрядов при атмосферном давлении.

В качестве одномерного ЭК использована периодическая структура [3], образованная тремя плазменными неоднородностями, размещенными через 38 мм перпендикулярно широким стенкам волновода сечением 23×10 см2 (Рис. 1, а). Плазменные неоднородности – плазменные столбы импульсных разрядов в кварцевых трубках в потоке аргона (1 л/мин) при атмосферном давлении. Внешний диаметр трубок 4,0 мм и внутренний – 1,6 мм. Межэлектродное расстояние – 10 мм. Длительность разряда составляла около 230 мкс (Рис. 1, а), максимальный ток, приходящийся на 15-20 мкс, – 11 А.

Оценка плотности электронов в плазме разряда была выполнена по штарковскому уширению линии водорода Ha [5]. В условиях эксперимента аппаратное уширение составляло 0,045 нм, доплеровское ‑ менее 0,035 нм, ван-дер-ваальсовское – менее 0,004 нм и штарковское в максимуме тока разряда – более 1 нм. Зависимость ne от времени представлена на Рис. 1, б.

а) б) в) Рис. 2. (а) Спектры пропускания плазменног ЭК на 1 ‑ 50-55 мкс и на 2 ‑ 195-200 мкс разряда, зависимость его пропускания от временни (б) и от концентрации электронов в плазменных неоднородностях(в) на частоте 8,3 ГГц

Плазменная периодическая структура обладает полосовым спектром пропускания (Рис. 2, а). На 50-55 мкс разряда подавление в запрещенной зоне (7,9 ГГц-8,9 ГГц) составляет более 40 дБ и в полосе пропускания менее 5 дБ. Такой уровень заграждения сохраняется примерно до 150 мкс (Рис. 2, б).

Зависимость пропускания на частоте 8,3 ГГц от плотности электронов представлена звездочками на рисунке 2, в. Сопоставление экспериментальных результатов с результатами моделирования, выполненного в среде программы Ansoft HFSS, демонстрирует хорошее согласие при концентрациях электронов более 5∙1016 см-3, и расхождение при меньших ne, что может быть объяснено контракцией плазменного столба. Полученная зависимость демонстрирует возможность управления спектром пропускания ЭК при изменении ne от 0 до 1016 см-3. Исследовано пропускание мощного СВЧ импульса (50 кВт, длительность около 200 нс) через волноводную секцию с плазменным ЭК.

Исследовано также прохождение мощного СВЧ импульса через треугольный двумерный кристалл [4], образованный медными стержнями, расположенными параллельно друг другу и вектору Е падающей СВЧ волны с шагом 22 мм вдоль луча падающего излучения и перпендикулярно ему в Н-плоскости. Падающее излучение проходит через такой ЭК в направлениях 45° при наличии дефектов в первом со стороны генератора ряду стержней. Применение в качестве дефекта двумерного электромагнитного кристалла импульсного разряда при атмосферном давлении в аргоне (поток – 1-2 л/мин, межэлектродный промежуток – 5,5 см) позволяет контролируемо управлять диаграммой направленности кристалла при мощности СВЧ излучения до десятков киловатт (Рис. 3). Максимум тока в разряде составляет около 23 А (ne ≈ 7∙1016 см-3 – оценка по полуширине контура линии Hα) и приходится на 22-ю микросекунду относительно начала разряда. К 300-ой микросекунде разряд прекращается.

а) б) в) Рис. 3. (а) Фотография двумерного ЭК с плазменной неоднородностью и временные зависимости его пропускания в случаях (б) плазма – компенсатор дефекта и (в) плазма – дополнительный дефект при 5 мВт (2) и 50 кВт (3) в направлении 45° (1 – уровень падающего излучения)

Изменение пропускания электромагнитного кристалла (Рис. 3, б и в) для обоих типов дефектов (плазменный столб – компенсатор дефекта или дополнительный дефект) при киловаттной мощности СВЧ излучения максимально (на 14 ± 2 дБ) в фазе разряда, когда концентрация электронов больше 1016 см-3 (с 5 мкс до 100 мкс), и нивелируется к 400 мкс, что несколько позже, чем закачивается разряд (кривые 3 на Рис. 3, б и в). По-видимому, это связано с поддержанием разряда за счет столкновительного поглощения мощного СВЧ излучения.

Работа выполнена при поддержке гранта БРФФИ-CNRS (Ф15Ф-004).

Библиографический список

[1] Электромагнитные кристаллы. – М.:ФИЗМАТЛИТ, 2010. 352 с.

[2] Sakai O., Tachibana K. Plasma as metamaterials: a review // Plasma Sources Sci. Techn. 2012. V. 21(1). 013001 (18 pp.).

[3] Arkhipenko V. I., Callegari Th., Simonchik L. V., Sokoloff J., Usachonak M. S. One-dimensional electromagnetic band gap structures formed by discharge plasmas in a waveguide // Journal of applied physics. 2014. V. 116(12). 123302 (11 pp.)

[4] Simonchik L. V., Usachonak M. S. 2D electromagnetic band gap structure controlled by plasma // Proceedings of the 41th EPS Conference on Plasma Physics, Berlin, Germany, 23—27 June 2014. http://ocs. ciemat. es/EPS2014PAP/pdf/P2.126.pdf. Обращение к ресурсу 01.10.2015.

[5] Спектроскопия плазмы. – М.:Атомиздат, 1969. 452 с.

Сведения об авторах

– к. ф.-м. н., г

– д. ф.-м. н., профессор, г.

Вид доклада: устный (/ стендовый)