Література

1. Данилов В.В., Зависляк И.В., Балинский М.Г. Спин-волновая электродинамика, К.: Лыбидь, 1991, 292 с.

2. Вашковский А.В., Стальмахов В.С., Шараевский Ю.П. Магнитостатические волны в электронике сверхвысоких частот, Саратов.: Изд-во Саратовского ун-та, 1993, 312 с.

3. Данилов В.В., Зависляк І.В., Нечипорук О.Ю. Спін-хвильова електродинаміка, К.: 2008, 351 с.

Лабораторна робота № 3 відкритий діелектричний резонатор

Мета роботи:

1. Вивчення основних властивостей та особливостей діелектричних резонаторів надвисокочастотного діапазону довжин хвиль.

2. Ознайомлення з методами розрахунків та вимірювання основних параметрів діелектричних резонаторів.

ВСТУП

Робота діелектричного резонатора базується на використанні поширення електромагнітних хвиль в діелектричному зразку. Порівняно великі значення діелектричної проникності  забезпечують той факт, що електричне і магнітне поля зконцентровано переважно в об'ємі зразка та розсіюються за його межами до нехтовно малих величин на відстані, яка значно меньше за довжину хвилі у вільному просторі. Існування поблизу резонатора хоч і слабого, але відчутного зовнішнього електромагнітного поля, є важливою особливістю ДР, яка обумовлює специфіку як при теоретичному аналізі його властивостей, так і в питаннях практичного застосування ДР в приладах НВЧ. Наявність зовнішнього поля робить досить чутливими до зміни параметри ДР (резонансну частоту, добротність) внаслідок впливу на структуру поля резонатора елементів конструкцій і неоднорідностей, які знаходяться поряд. Цими елементами та неоднорідностями можуть бути елементи кріплення ДР, екрануючі металеві поверхні, а також діелектричні зразки, які спеціально розміщюють поблизу резонатора з метою зміни параметрів останніх. В залежності від наявності металевого екрана та місця його розташування можемо класификувати ДР на відкриті (ВДР) та екрановані (ЕДР).

ВДР виготовляють у вигляді сфери, циліндра, паралелепіпеда, диска з отвором; при цьому використовують матеріали з великими значеннями діелектричної проникності e>20. Форма ВДР, його діелектрична проникність і діелектричні втрати tgd матеріалу повністю визначають власні резонансні частоти та власну добротність електромагнітних коливань резонатора.

В підході до теорії та застосування ВДР розрізняють два різновиди ВДР: ВДР, які використовують найнижчі типи коливань (ВДР НТК) та резонатори, які збуджуються у режимі азимутальних хвиль (ВДР РАХ) високих порядків. Для ВДР НТК характерним є використання матеріалів з великим значенням діелектричної проникності та відповідне суттєве зменшення габаритів ВДР. З іншого боку, для ВДР РАХ використовують матеріали з e<10. Порядок індексу хвиль, що збуджують, дорівнює приблизно 20, а габаритні розміри, як правило, перевищують відповідні розміри порожнистих металевих резонаторів. Реалізована власна добротність таких резонаторів сягає декількох тисяч. Ці особливості визначили область застосування ВДР РАХ в якості високодобротних коливальних систем міліметрового діапазону довжин хвиль.

Окремим класом НВЧ коливальних систем з діелектриком є хвилевідно-діелектричні резонатори (ХДР). Резонансні явища, які спостерігаються в них, обумовлені сукупністю хвилевих процесів у хвилеводі, що використовується, та діелектричної неоднорідності. В якості останніх використовують зразок з невеликим

(меньше за 20) значенням діелектричної проникності, який сам по собі не виявляє резонансних властивостей.

Основними параметрами матеріалів, які використовуються для створення ДР є наступні: діелектрична проникність e, тангенс кута діелектричних втрат tgd, температурні коефіцієнти діелектричної проникності ТКЕ та лінійного розширення ТКЛ.

Матеріали з e>20 для ДР в залежності від хімічного складу розподіляють на наступні групи: титанати (рутил TiO₂, титанат стронцію SrTiO₂, титанат барію BaTi₄), цирконати (CaZrO₃), лантанати. Історично першим матеріалом ДР був рутил. Він має малі за значенням втрати tgd»10^-4, але достатньо великий ТКЕ (-1000±200)10^-6 1/С^о, що визначило температурний відхід резонансної частоти ДР приблизно 1-2 МГц/град. По сукупності параметрів найкращим матеріалом вітчизняного виробництва є ТБНС, який містить титанат барію та окиси таких рідкоземельних елементів, як ніодим і самарій. Це гарний термостабільний матеріал з наступними параметрами: e=83, tg=(25)10^-4, ТКЕ=(020)10^-6 1/C^o.

Матеріали, що містять лантан, використовують в якості основи для створення термостабільних ДР з e=3755, tgd=(26)10^-4, ТКЕ=(030)10^-6 1/C^o.

В якості матеріалів з e<20 для створення ДР використовують лейкосапфір, плавлений кварц, полікор, полістирол та інші. Експерименти, показали, що ДР, які виготовляють з монокристалів алюмінію-лейкосапфіру, повинні мати виключну термостабільність - 10^-11 1/C^o при T=2 K. Експериментально реалізована добротність ВДР РАХ в 3-см діапазоні довжин хвиль склала 2,610⁵ при кімнатній температурі та 610⁸ при 10^оК. Такі резонатори мають вирішити проблему створення вторинних еталонів частоти, оскільки температурний коефіцієнт частоти ДР з лейкосапфіру майже на 2 порядки меньше, ніж у напровідникових резонаторів.

На основі ДР зараз створюється новий клас малогабаритної апаратури різного призначення. Застосування в цій апаратурі ДР дозволяє в 50100 разів покращити її мас-габаритні характеристики. Вирішення задач вимірювальної техніки шляхом використання ДР дозволило реалізувати нові методи вимірювання параметрів матеріалів на НВЧ, а також внести вклад у розвиток схемотехнічних рішень радіовимірювальної апаратури. Вельми перспективним видається створення надвисокостабільних джерел НВЧ сігналів на основі активних компонентів з надвисокодобротними ДР.