vestiftИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-technical series1561-83582524-244XThe Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"vestift-327Research ArticleРАДИОЭЛЕКТРОНИКА И ПРИБОРОСТРОЕНИЕRADIOELECTRONICS AND INSTRUMENT-MAKINGВОЗБУЖДЕНИЕ КОЛЕБАНИЙ ШЕПЧУЩЕЙ ГАЛЕРЕИ В ДИСКОВОМ ПЛАНАРНОМ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОМ РЕЗОНАТОРЕ ЩЕЛЬЮ СВЯЗИEXICITATION OF WHISPERING GALLERY MODES IN A DISK PLANAR DIELECTRIC RESONATOR BY A COUPLING SLOTКогутА. Е.KogutA, Ye.

доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник

D. Sc. (Physic and Mathematic), Leading Researcher

kogut@ire.kharkov.uaДоляР. С.DoliaR. S.

младший научный сотрудник, аспирант

Junior Researcher, Graduate Student

roma_vb@mail.ruНосатюкС. О.NosatiukS. O.

кандидат физико-математических наук, научный сотрудник

Ph. D. (Physic and Mathematic), Researcher

nosatyk_sergey@mail.ruШульгаЕ. А.ShulhaYe. A.

младший научный сотрудник, аспирант

Junior Researcher, Graduate Student

Shulgaevgeniy.ne@mail.ruДжаочанХеJaochanHe

заместитель директора

Deputy. Director

Институт радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова Национальной академии наук УкраиныУкраинаO. Ya. Usikov Institute for Radiophysics and Electronics of the National Academy of Sciences of UkraineUkraineВосточно-Китайский НИИ «Фотоэлектроника»РоссияEastern-Chinese Institute “Photoelectronics”Russian Federation20170910201703110117Copyright © Когут А.Е., Доля Р.С., Носатюк С.О., Шульга Е.А., Джаочан Х., 20172017Когут А.Е., Доля Р.С., Носатюк С.О., Шульга Е.А., Джаочан Х.Kogut A.Y., Dolia R.S., Nosatiuk S.O., Shulha Y.A., Jaochan H.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestift.belnauka.by/jour/article/view/327

Исследованы спектральные и энергетические характеристики дискового планарного диэлектрического резонатора (ДР), возбуждаемого на модах высших порядков типа шепчущей галереи (ШГ) в 8-миллиметровом диапазоне длин волн. Диаметр планарного ДР составлял несколько длин волн в материале диэлектрика, а его высота была много меньше длины волны. Диэлектрический диск располагался плоскими основаниями между двумя проводящими зеркалами. Таким образом, электромагнитное поле резонатора ограничивалось по высоте планарного диска двумя проводящими поверхностями. Резонансные свойства такой структуры определялись условием полного внутреннего отражения волн от криволинейной поверхности диэлектрического диска. Предложен способ эффективного возбуждения мод ШГ в дисковом планарном ДР – щелью связи в металлическом зеркале резонатора. Показано, что при таком способе возбуждения достигается режим запредельной связи с планарным ДР. При этом модовый спектр такого резонатора относительно разрежен. Установлено, что добротность планарного ДР в основном определяется потерями в его диэлектрическом материале и омическими потерями в металлических зеркалах, поскольку радиационные потери при соответствующем соотношении длины волны и диаметра диэлектрического диска могут быть незначительны. Для диска высотой 1 мм, диаметром 78 мм, изготовленного из фторопласта-4 и расположенного между латунными зеркалами, добротность планарного ДР может достигать 1500 на высокочастотном краю 8-миллиметрового диапазона длин волн. Выработаны рекомендации относительно повышения добротности планарных диэлектрических резонаторов и по уменьшению их размеров.

 

The spectral and energy characteristics of disk planar dielectric resonator (DR) with high-order whispering gallery modes (WGMs) were investigated in Ka-band. The diameter of the planar DR was several wavelengths in the dielectric material, and its height was much smaller than the wavelength. The dielectric disk was placed by flat bases between two conducting mirrors. Thus, electromagnetic field of the resonator was limited by the height of the planar disk by two conducting surfaces. The resonant properties of such structure were determined by the condition of total internal reflection of the waves from the curved surface of the dielectric disk. A method of effective excitation of WGMs in the planar DR by the coupling slot in the metal mirror was proposed. It is shown that with this excitation method, a regime of supercritical coupling with planar DR is achieved. In this case, the mode spectrum of such a resonator is rarefied relatively. It is established that the Q-factor of a planar DR is mainly determined by the losses in its dielectric material and by the ohmic losses in metallic mirrors, since the radiation losses at a necessary ratio of the wavelength and the diameter of the dielectric disk can be small. For a disk made of teflon with a height of 1 mm, a diameter of 78 mm, located between brass mirrors, the Q-factor of the planar DR can reach 1500 at the high-frequency edge of the Ka-band. The recommendations for increasing of Q-factor of the planar DRs and reducing their dimensions are proposed.

дисковый планарный диэлектрический резонатормоды шепчущей галереизапредельная связьдобротность8-миллиметровый диапазонdisk planar dielectric resonatorwhispering gallery modessupercritical couplingQ-factorKa-bandReferencesДиэлектрические резонаторы / М. Е. Ильченко [и др.] ; под ред. М. Е. Ильченко. – М.: Радио и связь, 1989. – 328 с.Il’chenko M. E., Vzyatyshev V. F., Gassanov L. G. et.al. Dielectric resonators. Moskow, Radio i sviaz Publ., 1989. 328 p. (in Russian).Квазиоптические твердотельные резонаторы / А. Я. Кириченко [и др.]. – Киев: Наук. думка, 2008. – 296 с.Kirichenko A. Ia., Prokopenko Iu. V., Filippov Iu. F., Cherpak N. T. Quasi-optical solid-state resonators. Kiev, Naukova dumka Publ., 2008. 296 p. (in Russian).Vedrenne, C. Whispering-Gallery modes in dielectric resonators / C. Vedrenne, J. Arnaud // Proc. Inst. Elect. Eng. – 1982. – Vol. 129, N 4. – P. 183–187.Vedrenne C., Arnaud J. Whispering-Gallery modes in dielectric resonators. Proceedings IEE, 1982, vol. 129, no. 4, pp. 183–187. Doi: 10.1049/ip-h-1.1982.0037Experimental conditions for the excitation of thin disk whispering-gallery-mode resonators / V. Yurchenko [et al.] // Progress in Electromagnetics Research C. – 2013. – Vol. 43. – P. 29–40.Yurchenko V., Altintas A., Ciydem M., Koc S. Experimental conditions for the excitation of thin disk whisperinggallery-mode resonators. Progress in Electromagnetics Research C, 2013, vol. 43, pp. 29–40. Doi: 10.2528/pierc13062803Annino, G. Study on planar whispering gallery dielectric resonators. I. General properties / G. Annino, M. Cassettari, M. Martinelli // Int. J. of Infrared and Millimeter Waves. – 2002. –Vol. 23, N 4. – P. 597–615.Annino G., Cassettari M., Martinelli M. Study on planar whispering gallery dielectric resonators. I. General properties. International Journal of Infrared and Millimeter Waves, 2002, vol. 23, no. 4, pp. 597–615. Doi: 10.1023/a:1015709927809Annino, G. Study on planar whispering gallery dielectric resonators. II. A multiple-band device / G. Annino, M. Cassettari, M. Martinelli // Int. J. of Infrared and Millimeter Waves. – 2002. – Vol. 23, N 4. – P. 617–634.Annino G., Cassettari M., Martinelli M. Study on planar whispering gallery dielectric resonators. II. A multiple-band device. International Journal of Infrared and Millimeter Waves, 2002, vol. 23, no. 4, pp. 617–634. Doi: 10.1023/a:1015761911879Haiyong, Quan. Analyses of whispering-gallery modes in small resonators / Haiyong Quan, Zhixiong Guo // J. of Micro/Nanolithography. – 2009. – Vol. 8, N 3. – P. 1–7.Haiyong Quan. Analyses of whispering-gallery modes in small resonators. Journal of Micro/Nanolithography, 2009, vol. 8, no. 3, pp. 1–7. Doi: 10.1117/1.3213247Analysis of stacked whispering gallery dielectric resonators for submillimeter ESR spectroscopy / G. Annino [et al.] // Chem. Phys. Lett. – 1997. – Vol. 281, N 4-6. – P. 306–311.Annino G., Cassettari M., Longo I., Martinelli M. Analysis of stacked whispering gallery dielectric resonators for submillimeter ESR spectroscopy. Chemical Physics Letters, 1997, vol. 281, no. 4-6, pp. 306–311. Doi: 10.1016/s0009- 2614(97)01246-3Santhosh Kumar, G. D. V Whispering Gallery Modes of Planar Dielectric Resonators in LTCC Technology / G. D. V. Santhosh Kumar, K. C. James Raju // Research Areas and 2013 International Conference on Microelectronics, Communications and Renewable Energy (AICERA/ICMiCR), 2013 Annual International Conference on. – P. 474–479.Santhosh Kumar G. D. V., James Raju K. C. Whispering Gallery Modes of Planar Dielectric Resonators in LTCC Technology. Emerging Research Areas and 2013 International Conference on Microelectronics, Communications and Renewable Energy (AICERA/ICMiCR), 2013 Annual International Conference on, pp. 474–479. Doi: 10.1109/aiceraicmicr.2013.6576026Ji, Y. A High-Q Millimeter-Wave Dielectric-Resonator Bandpass Filter Using Whispering-Gallery Modes / Y. Ji, X. S. Yao, L. Maleki // The Telecommunications and Mission Operations Progress Report (TMO Progress Report). – 2000. – Vol. 42, N 141. – P. 1–11.Ji Y., Yao X. S., Maleki L. A High-Q Millimeter-Wave Dielectric-Resonator Bandpass Filter Using WhisperingGallery Modes. The Telecommunications and Mission Operations Progress Report (TMO Progress Report), 2000, vol. 42, no. 141, pp. 1–11.Иванов, Е. Н. Повышение эффективности возбуждения дисковых диэлектрических резонаторов / Е. Н. Иванов, А. А. Карачев, Д. П. Царапкин // Изв. вузов. Радиоэлектроника. – 1987. – Т. 30, № 10. – С. 68–69.Ivanov E. N., Karachev A. A., Tsarapkin D. P. Increasing the excitation efficiency of disk dielectric resonators. Izvestiia vuzov. Radioelektronika = Radioelectronics and Communications Systems, 1987, vol. 30, no. 10, pp. 68–69 (in Russian).Гинзтон, Э. Л. Измерения на сантиметровых волнах / Э. Л. Гинзтон. – М.: Изд-во иностр. лит., 1960. – 519 с.Ginzton E. L. Microwave Measurements. New York, McGraw-Hill, 1957.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.