Устройства СВЧ и антенны

101

ной длины волны резонаторов типа коаксиальной линии, нагруженной на емкость, может осуществляться двумя способами:

-емкостной и индуктивный способы. На рис. 3.19 изображен триодный генератор СВЧ,

-на основе коаксиального резонатора, нагруженного на емкость. Настройка на резонансную частоту осуществляется за счет изменения объема резонатора настроечными поршнями.

Настройка объемного резонатора подразумевает достижение равенства резонансной длины волны и длины волны, излучаемой генератором:

3.21), которая связана с резонансной длиной волны и объемом резонатора Va

(3.48).

Если р¹0, то изменение l меняетλрез .

102

А если р=0, тогда поршень не изменит граничных условий и

λрез = const.

3.Изменение структуры поля, а следовательно λрез , за счет лопаток

(см. рис. 3.22).

4. Введение неоднородностей в резонатор за счет отверстий и пробок

(рис. 3.23).

3.5 Резонаторы неволноводного типа

Тороидальные резонаторы.

Наибольшее распространение нашли тороидальные резонаторы прямоугольной формы сечения (рис. 3.24).

Тороидальные резонаторы можно рассматривать как резонаторы с квазистационарными параметрами, где выполняются следующие условия:

Можно показать, что для неволноводного резонатора существует ряд типов колебаний, характеризующихся различными пространственными распреде-

103

ления поля и соответствующими им собственными частотами.

Главной особенностью основного вида колебаний в тороидальном резонаторе является выраженное более резко, чем в других резонаторах, пространственное разъединение в них электрического и магнитного полей. Это обстоятельство дает право подойти к анализу такого резонатора, как к соединению сосредоточенных емкости и индуктивности, и найти основную собственную частоту по известной из теории обычных контуров формуле

За эквивалентную емкость Сэ принимают емкость между сближенными торцевыми стенками резонатора, которая рассчитывается по формуле плоского конденсатора

В основу расчета эквивалентной индуктивности кладется известное вы-

Ф

ражение L = I , а полный поток вектора магнитной индукции равен

где μ − относительная магнитная проницаемость, ε − относительная диэлектрическая постоянная, ток, протекающий по контуру равен H 2π r = I , где r

–внутренний радиус резонатора, Н – напряженность магнитного поля.

Вконечном счете индуктивность определяется выражением

104

где с – скорость света.

Для вакуумного или воздушного наполнения

С поправкой на боковую емкость длина волны равна

Добротность резонатора определяется из выражения

где σ − удельная проводимость; υ0 − резонансная частота. Проводимость резонатора равна

Настройка тороидальных резонаторов на резонансную частоту производится либо изменения d, что влияет на величину емкости Сэ, либо путем ввинчивания в полость металлических стержней, что влияет на величину Lэ.

Настройка на резонансную частоту, осуществляемая разными методами, показана на рис. 3.25.

105

Призматические резонаторы с укорачивающей емкостью. В ряде случаев оказывается удобным применение тороидальных резонаторов удлиненной конструкции (рис. 3.26, а). Резонатор такого типа можно рассматривать как соединение емкости с закороченной коаксиальной линией. Для такого резонатора можно составить эквивалентную схему, изображенную на рис. 3.26, б, и собственную частоту ω0 можно найти из условия короткозамкнутой

α ×l = ω l » π . Тогда при резонансе длина линии близка к нечетному числу

Открытый объемный резонатор. Открытые резонаторы используются в качестве колебательных систем в ряде разновидностей приборов СВЧ – в так называемых МЦР-генераторах и усилителях и генераторах дифракционного излучения. Они широко применяются в волномерах миллиметрового (мм) диапазона радиоэлектронной аппаратуры.

Главным недостатком таких резонаторов является то, что при очень длинном объемном резонаторе соседние резонансы очень близки к основным и почти сливаются. Рассмотрим это на примере прямоугольного резонатора. Как было показано выше, резонансная дина волны в таком резонаторе может определяться выражением

типами колебаний. Соседние λ рез уходят далеко от основной λ рез .

В таких резонаторах появляется множество вариаций волн, возникают трудности отсечки, дифракция и т.д. Но все же можно добиться разрежения множества возникающих типов колебаний за счет тщательной настройки зеркал и селектирования таким образом основных типов колебаний.

Исчезновение боковых стенок резко увеличивает добротность открытых резонаторов Q, т.к. уменьшаются потери в металле, и весьма значительно.

где R − коэффициент отражения от зеркала; а − радиус зеркала; l − расстояние между зеркалами; αдиф − коэффициент дифракционных потерь, определяемый из условия

a 2

N – число Френеля, равное N = λ × l .

107

Например, для прибора с резонансной длиной волны λрез = 0,1 мм,

имеем добротность, равную Q = 3,14 ×105, что невозможно получить обычными замкнутыми объемными резонаторами.

Объемный резонатор бегущей волны. Приведем пример: направлен-

ный ответвитель. Во входном сечении такого резонатора происходит сложение амплитуды волны, пришедшей и возбуждаемой источником (рис. 3.27).

Рис. 3.27

Фазовое условие возбуждения выполняется при условии:

108

где β − постоянная затухания волны в волноводе, β ≈ 1 Pпотерь .

2 2

Средний поток энергии волны, заключенной между зеркалами, ν ≤ Z ≤ l через поперечное сечение резонатора за единицу времени, т.е. средняя мощность потерь на зеркале в плоскости Z=l, приближенно равна

здесь R − коэффициент отражения плоской волны по мощности. Добротность через запасенную энергию и энергию потерь записываем в

виде

Резонаторы на микрополосковых линиях

выполняются на основе линий передачи различных типов: микрополосковой (МП), щелевой и т.д.

Один из методов формирования таких резонаторов состоит в замене трехмерного плоскостного резонатора двумерным изображением. Модель имеет однородное диэлектрическое заполнение с относительной диэлектрической проницаемостью, а его размеры являются эффективными размерами резонатора. По периметру модели резонатора расположены магнитные стенки.

Эффективные размеры находят из условия равенства полной энергии поля резонатора и его модели. Вариантами вдоль оси y можно пренеб-

речь. На рис. 3.28 показана конструкция и геометрические размеры несимметричной микрополосковой линии.

При h << Wэфф

109

где λлп − длина волны в линии передачи.

Рис. 3.29

На рис. 3.29 изображены структуры электромагнитных Е001- и Е102- волн, возникающих в микрополосковых резонаторах.

3.6. Возбуждение волноводов и объемных резонаторов

Большой интерес представляет вопрос: каковы должны быть элементы возбуждения, как их следует расположить в волноводе или резонаторе, если требуется возбудить волну заданного типа?

Однако, ответ на этот вопрос еще не может удовлетворить нас. Требуется еще рассмотреть его количественную сторону – рассчитать возбудитель, обеспечивающий нужную мощность заданной волны.

Прежде всего, напомним, что в силу принципа взаимности элемент, наилучшим образом возбуждающий заданную волну, будет наилучшим образом извлекать энергию этой волны из волновода или объемного резонатора. Т.о. если нам удастся найти элемент, хорошо извлекающий энергию поля электромагнитной волны, то он же может быть использован в качестве элемента хорошо возбуждающего волновод.

Основные типы элементов возбуждения. Вернемся к нашей задаче.

Требуется возбудить в волноводе (или объемном рез-ре) волну заданного типа. Для этого нужно чтобы возбуждающее устройство создало электромаг-

110

нитное поле или токи проводимости, связанные с ними, чтобы силовые линии поля совпадали по структуре с соответствующими силовыми линиями заданной волны.

Такими возбуждающими устройствами могут быть продолжение внутреннего проводника коаксиального кабеля в виде штыря или петли (рис. 3.30), а также узкая щель, соответствующим образом прорезанная в стенке волновода (резонатора), на который падает волна электромагнитного поля, предназначенная для возбуждения.

Рассмотрим подробнее каждое из этих возбуждающих устройств. Штырь (рис. 3.30,а) проходит в волновод (резонатор) через круглое от-

верстие так, что края этого отверстия смыкаются с внешней оболочкой коаксиального кабеля.

Рис. 3.30

Быстропеременный ток в штыре можно рассматривать, как ток над идеально проводящей поверхностью (металлическая стенка), следовательно, штырь и его зеркальное отображение создают такую систему, с помощью которой нетрудно представить структуру поля, возбуждаемого его.

Действительно, из рисунка видно, что вертикальные составляющие силовых линий напряженности электрического поля, возбужденного штырем, в области между стенкой и верхушкой штыря имеют сонаправленные вертикальные составляющие, параллельные штырю, а горизонтальные составляющие в симметричных (относительно штыря) точках противонаправлены, следовательно, излучаемые ими поля в значительной степени взаимно компенсируются. Отсюда видно, что электрическое поле, возбуждаемое штырем, будет параллельно ему.

Следует заметить, что аналогично штырю, возбуждает поле модулированный поток электронов. Отличается этот способ возбуждения от штыря главным образом только тем, что поток электронов должен пронизывать волновод (резонатор) полностью, а штырь занимает меньше места.

Далее, если продолжение внутреннего проводника замкнуто на внешнюю оболочку, то такое устройство называется петлей. Диаметр этого витка по сравнению с длинной волны мал (φ<λ), поэтому быстропеременный ток, протекающий по нему, создает магнитное поле, направление которого пер-