ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет» Кафедра радиоэлектронных устройств и систем

Колебательные системы свч и экранизирующие устройства

Методические указания

к лабораторным работам №3,4 по дисциплине «Электродинамика и распространение радиоволн» для студентов специальности 210302 «Радиотехника» очной и заочной форм обучения

Воронеж 2009

Составители: канд. техн. наук В.И. Филатов,

канд. техн. наук И.А. Филатов.

УДК 621.385.6

Колебательные системы СВЧ и экранирующие устройства: методические указания к лабораторным работам № 3,4 по дисциплине «Электродинамика и распространение радиоволн» для студентов специальности 210302 «Радиотехника» очной и заочной форм обучения / ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет»;

сост. В.И. Филатов, И.А. Филатов. Воронеж, 2009. 29с.

Методические указания содержат домашние и лабораторные задания; даны рекомендации по их выполнению. С целью проверки знаний студентов приведены контрольные вопросы.

Табл. 11. Ил. 5. Библиогр. 6 назв.

Рецензент канд. техн. наук доц. З.Н. Федорова

Ответственный за выпуск зав. кафедрой д-р физ.-мат. наук, проф. Ю.С. Балашов

Издается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета

© ГОУВПО «Воронежский государственный

технический университет», 2009

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3

ЦИЛИНДРИЧЕСКИЕ ОБЪЕМНЫЕ РЕЗОНАТОРЫ

1. Общие указания

1.1 Цель работы

Цель работы - приобретение практических навыков по расчету параметров СВЧ резонаторов с помощью электронно-вычислительных машин, освоение методик измерения этих параметров и исследование влияния на них конструкции резонаторов и их моментов связи с другими цепями.

Основным содержанием практической части лабораторной работы является определение экспериментальным путем резонансных длин волн, частот и добротности полых металлических цилиндрических резонаторов при различных электромагнитных колебаниях, возбуждаемых в их внутренней полости.

Для выполнения лабораторной работы студентам предоставляются следующие приборы и принадлежности:

1) набор цилиндрических резонаторов, отличающихся друг от друга по конструкции и по использованным для их изготовления материалам;

2) радиотехнический испытательный прибор РИП-10

3) индикаторный блок (прибор РИП-И).

1.2. Основные сведения о колебательных системах - сантиметрового диапазона волн

На сверхвысоких частотах невозможно создать колебательные системы с сосредоточенными постоянными, обладающие хорошими резонансными свойствами, и поэтому здесь применяются особые колебательные системы, которые принято называть объемными или полыми резонаторами.

Объемный резонатор представляет собой электромагнитную систему, ограниченную со всех сторон металлической поверхностью, внутри которой существуют электромагнитные колебания.

Среди объемных резонаторов на практике наиболее широко используются волноводные, коаксиальные и тороидальные.

Волноводный резонатор можно рассматривать как волновод. ограниченный по длине и замкнутый со всех сторон металлическими стенками, внутренняя поверхность которых обладает высокой проводимостью.

Объемный резонатор подобно коаксиальной резонансной линии представляет собой экранированную колебательную систему, в которой потери на излучение отсутствуют и нет внешнего ноля, способного создать паразитные связи с другими цепями. В объемном резонаторе нет потерь в твердых диэлектриках и активное сопротивление стенок резонатора очень мало благодаря их большой поверхности. В результате о, если от резонатора не отбирается энергия, его добротность доходит до десятков тысяч единиц. Удобно то, что наружная поверхность объёмного резонатора имеет нулевой потенциал и не несет на себе токов. Поэтому объемные резонаторы могут монтироваться без изоляции.

Ориентировочно собственную добротность полого резонатора можно рассчитать как удвоенное отношение объёма, в котором запасается энергия электромагнитного поля, к объёму, в котором она расходуется, т.е. к объему, занимаемому поверхностным проводящим слоем во всех стенках резонатора:

Q= , (1)

где V- объем резонатора (по внутреннему периметру);

- толщина поверхностного проводящего слоя;

S - площадь внутренней поверхности стенок.

Если резонатор нагружен, т с связан с внешними высокочастотными трактами, то его добротность (в этом случае она называется нагруженной добротностью) уменьшается, но все же остается достаточно большой. Ненагруженная добротность Q равна резонансной частоте , умноженной на отношение полной энергии, запасаемой в резонаторе, к мощности, рассеиваемой в нем. Определение нагруженной добротности Qh почти такое же. только вместо мощности, рассеиваемой в резонаторе, надо брать суммарную мощность, рассеиваемую в резонаторе и во всех нагрузках, подключенных к нему. Кроме того, на практике применяется еще понятие так называемой внешней добротности Qbh. которая равна резонансной частоте , умноженной на отношение высокочастотной энергии, накопленной в объёме резонатора, к мощности, рассеиваемой только в нагрузках. Соотношение между Q, Qн и Qbh следующее:

= + . (2)

Закругления острых углов резонатора увеличивают в (1) отношение объема V к поверхности S и, следовательно, повышают добротность Q.

Добротность тем больше, чем меньше удельное электросопротивление материала стенок и чем меньше напряженность магнитного поля у стенок резонатора, т.е. чем меньше сила тока, возникающего в стенке Полому при колебаниях различных видов и типов добротность резонатора имеет различных значения.

На добротность резонатора значительное влияние оказывает качество внутренней поверхности оболочки и соединений между ее отдельными частями, а также наличие отверстий. Для уменьшения потерь внутреннюю поверхность оболочки тщательно полируют и покрывают тонким слоем серебра, а швы и соединения выполняют так, чтобы они располагались параллельно линиям тока.

Полые резонаторы имеют простую конструкцию и высокую механическую прочность и жесткость, в связи с чем они имеют высокую эталонность и стабильность своих параметров. Так, например стабильность резонансной частоты полых резонаторов соизмерима со стабильностью кварца, а иногда и превосходит её.

К недостаткам, свойственным полым резонаторам, относится их многочастотность, т.е. проявление резонансных свойств относительно бесконечного ряда частот. Кроме того, возможна многозначность колебаний, т.е. одновременного существования колебаний различных типов. Вероятность одновременного существования нескольких типов колебаний в одном и том же резонаторе увеличивается при возбуждении сложных полей

Недостатком резонаторов также является сравнительно низкая диапазонность. Поэтому они наиболее часто применяются в качестве колебательных контуров с фиксированной настройкой или малым коэффициентом перекрытия по диапазону.

На практике объемные резонаторы широко используются в качестве колебательных систем в СВЧ приемниках, передатчиках и измерительных устройствах.

В приемниках СВЧ полые резонаторы применяются во входных цепях, а также в качестве резонансных контуров смесителей и гетеродинов.

В радиолокационной аппаратуре объёмные резонаторы используются не только в качестве резонансных контуров, но и как зхокамеры и стабилизаторы частоты.

В измерительной технике резонаторы преимущественно находят применение в волномерах.

Объемные резонаторы можно классифицировать по ряду признаков конфигурации резонаторов (прямоугольный, цилиндрический, сложной формы); типу связи резонатора с подходящими к нему фидерами (связь петлёй, зондом, при помощи щелей, отверстий); схеме включения в линию передачи (включение на проход или оконечное включение).

Принцип действия полого резонатора удобнее всего пояснить, рассматривая его как секцию волновода, замкнутую с обеих сторон отражающими перегородками. Под влиянием поступающих колебаний на внутренних поверхностях резонатора возникают токи, достигающие наибольшей интенсивности при определённых соотношениях между частотой и геометрическими размерами резонатора. При этом в резонаторе возникают стоячие волны, во многом аналогичные стоячим волнам в волноводах, в отличие от которых распределение поля в резонаторе имеет характер стоячей волны вдоль всех трех направлений.

В полых резонаторах различают два основных типа колебаний: электрические, обозначаемые буквой Е, и магнитные, обозначаемые буквой Н. При электрических колебаниях линии электрического поля имеют составляющую вдоль оси резонатора, а линии магнитного поля расположены в плоскостях, перпендикулярных к его оси. При магнитных колебаниях линии магнитного поля имеют составляющую вдоль оси резонатора, а линии электрического поля расположены в плоскостях, перпендикулярных к оси. Такое определение типа колебаний аналогично определению типа колебаний в волноводах.

Виды колебаний в объемных резонаторах обозначаются теми же буквами, что и типы колебаний, но с добавлением внизу тройного цифрового индекса, т.е. Emnp и Нmnp.

В прямоугольном резонаторе индексы m и n обозначают число стоячих полуволн, укладывающиеся вдоль соответственно наибольшего и наименьшего размеров поперечного сечения резонатора.

В цилиндрическом резонаторе индексы m и n имеют другой смысл: m указывает на число периодов изменения интенсивности полей вдоль

окружности, а n - на число максимумов поля в направлении радиуса поперечного сечения резонатора.

Индекс р как в прямоугольном, так и в цилиндрическом резонаторе обозначает число стоячих полуволн, укладывающихся вдоль оси резонатора

Для некоторых видов колебаний в цилиндрическом резонаторе из-за сложности структуры полей вдоль радиуса может укладываться нецелое количество полуволн. В этом случае производят округление до ближайшего целого числа.

Какой вид колебаний будет существовать в том или ином резонаторе, зависит от многих причин (от формы поперечного сечения резонатора, его размеров, рабочей длины волны и способа возбуждения колебаний в резонаторе).

Принято называть основным то колебание, при котором габариты резонатора и его резонансная частота будут минимальными, а структура электромагнитного поля самой простой. При этом резонансная частота будет расположена далеко от резонансных частот других, нежелательных типов колебаний.

Поля с более сложным строением называются колебаниями высших видов.

Возникновение в резонаторе других, кроме выбранного типа, колебаний приводит к появлению ложных резонансов и увеличению потерь, в результате чего уменьшается добротность.

Уменьшение возможности возникновения нежелательных полей может быть достигнуто различными путями:

1) соответствующим выбором размеров резонатора;

2) правильной конструкцией и размещением элемента связи так, чтобы векторы электрического и магнитного полей, возбуждаемые этим элементом, были строго параллельны соответствующим векторам поля, которое должно возникать в резонаторе, и в то же время они должны быть перпендикулярны векторам поля нежелательного типа колебаний;

3) нарушением условий непрерывности линий тока нежелательного типа колебаний, что может быть осуществлено выполнением узкой прорези в стенке резонатора, перпендикулярной направлению токов нежелательного типа колебаний и совпадающей с линиями токов возбуждаемых колебаний;

4) размещением внутри резонатора малых по размеру поглощающих элементов, например резистивных пластин вдоль направления токов нежелательных типов колебаний.

В прямоугольном резонаторе в зависимости от соотношения между его размерами основным типом колебаний могут быть H101, H011 или E110. Например, при b<а и b<h основным типом колебаний является H101; здесь а и b - поперечные размеры резонатора, а h - его высота.

В цилиндрическом резонаторе основным колебанием типа H является H111, а типа Е - колебание E010.

К основным параметрам, характеризующим радиотехнические свойства резонаторов, помимо добротности и резонансной частоты относятся также резонансное и входное сопротивления.

Входное сопротивление резонатора представляет собой сопротивление между входными 'зажимами элемента связи Оно по существу является резонансным сопротивлением обычного контура, измеренным на его входных зажимах, и определяется величиной потерь и связью входного элемента с электромагнитным полем резонатора. Полное резонансное сопротивление резонатора, отнесенное к пучности электрического поля, является резонансным сопротивлением обычного параллельного контура, измеренным непосредственно на его зажимах. Величина полного резонансного сопротивления резонатора достигает нескольких мегаом.

Настройка резонаторов в диапазоне частот осуществляется при помощи подвижных стенок или короткозамыкающих мостиков.

Наименьшая частота определяется допустимыми размерами резонатора, а наибольшая - возможностью возникновения резонансов высших видов, которые могут нарушить нормальную работу резонатора.

В прямоугольных резонаторах получают коэффициент перекрытия по диапазону около 1.1 1,15 , а в цилиндрических резонаторах при колебаниях магнитного вида - до 2 3.

С целью обеспечения высокой стабильности частоты, стенки резонатора следует изготавливать из металлов, имеющих низкий коэффициент линейного расширения (например, инварные и суперинварные сплавы), с последующим серебрением, уплотнением и полировкой покрытия.