Quasi-harmonic oscillations in a nonlinear transmission line, resulting from cherenkov synchronism

Abstract

Experimental data and results of numerical modeling are presented, concerning excitation of microwave oscillations by a wave of pulsed ‘dc’ current (eventually, a shock wave) traveling through a radially non-uniform coaxial guiding structure. Similar experiments with ‘standard’ structures that involve a nonlinear dielectric insert (ferrite) in the coax and another dielectric, characterized by a smaller dielectric constant, result in appearance of a short radiofrequency pulse, in the form of decaying sinusoidal voltage at the line’s output. The decay is shown to be associated with a lack of velocity synchronism between the principal ‘quasi-TEM’ wave mode in the system and the slow Emode excited by the electromagnetic shock. Numerical experiments within 3-D models have demonstrated possibilities for obtaining radio pulses of various lengths, involving oscillations of a stable frequency and nearly constant amplitude – provided that Cherenkov-type synchronism were satisfied, owing to slowing down of the faster ‘quasiTEM’ mode. To cut its speed down two methods can be suggested, (i) using a dielectric material with a high value of the dielectric permittivity, and (ii) introducing a periodic slow-wave structure whose period would be smaller than the wavelength of the oscillations considered.

Експериментально, а також шляхом чисельного моделювання досліджено збудження НВЧ-осциляцій хвилею імпульсного струму в радіально-неоднорідному коаксіальному хвилеводі. У системах «стандартного» різновиду, що містять нелінійний діелектрик (ферит) та діелектрик з малим значенням діелектричної проникності, на виході формується короткий радіочастотний імпульс у формі синусоїди, що загасає. Показано, що таке згасання пов’язане з відсутністю швидкісного синхронізму між основною квазі-ТЕМ та повільною Е-модами, котрі збуджуються ударною хвилею. Чисельні експерименти в 3-D моделі нелінійної лінії продемонстрували можливість отримання радіоімпульсів із сталими за амплітудою та стабільними за частотою коливаннями різної тривалості – за умови виконання черенковського синхронізму внаслідок уповільнення більш швидкої квазі-ТЕМ-моди. Розглянуто два методи уповільнення, а саме використання діелектрика із великим значенням діелектричної сталої та введення в систему періодичної структури з меншим періодом порівняно із довжиною хвилі осциляцій, що збуджуються.

Экспериментально и методом численного моделирования исследовано возбуждение СВЧ-осцилляций волной импульсного тока в радиально-неоднородном коаксиальном волноводе. В системах «стандартного» вида, включающих нелинейный диэлектрик (феррит) и диэлектрик с малой диэлектрической проницаемостью, на выходе формируется короткий радиоимпульс, имеющий форму затухающей синусоиды. Показано, что затухание обусловлено отсутствием скоростного синхронизма между основной квази-ТЕМ и медленной Е-модой, которые возбуждаются ударной волной. Численные эксперименты в 3-D модели нелинейной линии продемонстрировали возможность получения радиоимпульсов с однородными по амплитуде и стабильными по частоте колебаниями различной длительности при условии выполнения черенковского синхронизма за счет замедления быстрой квази-ТЕМ-волны. Рассмотрены два метода замедления: использование диэлектрика с большой диэлектрической проницаемостью и введение в систему периодической структуры с периодом, меньшим длины волны возбуждаемых осцилляций.