книги из ГПНТБ / Негурей, А. В. Конструкции и техника СВЧ учебное пособие

щих параметры колебательной системы, на внутреннюю по­ верхность экрана могут наноситься поглощающие покрытия. Дополнительное экранирование не повышает добротности системы и служит только для обеспечения безопасности ра­ боты оператора и устранения влияния излучения на дру­ гую СВЧ аппаратуру.

На рис. 8 ,в приведена конструкция стыкового соединения двух частей экранирующего корпуса, внутри которого может находиться излучающая система диапазона СВЧ. Подобная конструкция обеспечивает высокую степень экранировки устройства.

20

Конструируя колебательную систему, необходимо опреде­ лить, какие виды потерь преобладают в данной конструкции. Например в коаксиальных контурах (рис. 4 и 6) наибольшие потери будут вноситься лампой и излучающими элементами,

■величины общих потерь, бороться трудно. Единственным, по­ жалуй, способом является уменьшение напряженности элек­ трического поля контура в районе изоляторов лампы, что в некоторых пределах может регулироваться геометрией колебательной системы. В колебательных безламповых си­ стемах, в которых отсутствуют разделительные элементы, на­ рушающие экранировку, решающую роль могут играть по­

тери в проводниках.

Параметры колебательной системы во многом зависят от ее поперечных размеров, которые должны выбираться из условия получения наиболее высокого значения добротности или эквивалентного сопротивления колебательной системы,

атакже обеспечения необходимой электрической прочности линии с учетом конструктивных особенностей колебательной системы (например, вида соединения с электронной лампой),

атакже возможности .подавления высших типов колебаний, которые могут возникнуть при неправильном выборе попереч­ ных размеров линии.

Приме р 3. Требуется выбрать поперечные размеры (d, D) короткозамкнутой коаксиальной линии, образующей вместе с емкостью сетка—анод (Сса) лампы ГИ-70Б резонансный кон­ тур (рис. 4), работающий на частоте /=1500 МГц (?i= 2 0 cm). Диаметр d внутреннего проводника линии 4 целесообразно

принять равным диаметру вывода анода лампы (cfa). При этом внутренний проводник становится однородным на всем протяжении от промежутка сетка—анод до подвижного плунжера настройки 8, что увеличивает электрическую проч­ ность контура. Уменьшение d по сравнению с диаметром анода (da) лампы привело бы к ухудшению охлаждения анода, а также к увеличению потерь внутреннего проводника и короткозамыкателя плунжера. Последнее следует из выра­ жений для расчета сопротивлений прямого круглого про­ вода [1] и диска, закорачивающего коаксиальную линию [4],

21

пробой. С точки зрения электрической прочности целесообраз­

нее применять колебания типа , при которых нет пучно­

сти, и наибольшим напряжением является колебательное на­ пряжение, действующее на промежутке сетка—анод лампы, которое обычно значительно меньше напряжения в пучности. Проверка линии на электрическую прочность связана с рас­ четом колебательного напряжения на аноде лампы, т. е. с расчетом режима электронной лампы, и поэтому в приве­ денном выше примере не проводится.

Определив диаметры проводников коаксиального резона­ тора, перейдем к расчету его основных параметров: доброт­ ности Q и эквивалентного резонансного сопротивления /?.эо- В основу расчета этих параметров может быть положен как энергетический [4], так и импедансный метод [3]. Предполо­ жим, что колебательная система образована однородной коаксиальной линией, замкнутой на конце торцовым короткозамыкателем. К началу линии может подключаться некото­ рая емкость С0, укорачивающая ее резонансную длину 10.

Как показано в [4], резонансное эквивалентное сопротив­ ление, приведенное к началу линии и обусловленное только потерями в цилиндрических поверхностях такой системы,

23

Резонансное эквивалентное сопротивление, приведенное к началу линии и обусловленное только потерями в короткозамыкателе,

гк = гК 1 /к [Ом] — сопротивление контактного соединения ко­ аксиальной линии с короткозамыкателем;

гК 1 = 0,001 и-0,01 [Ом/м] — удельное сопротивление контакт­ ного соединения;

/к[м] — периметр контактного соединения.

Поскольку Дц и Яиз были приведены к началу линии как параллельные сопротивления, полное резонансное эквива­ лентное сопротивление

^эО---

RiC'r Rin

Добротность колебательной системы 0 может быть опре­ делена по формуле (1), в которой мощность потерь Р 1= РЦ+ + Ркз, где Рц— мощность потерь в цилиндрических проводни­ ках коаксиальной линии; Р1!3— мощность потерь в короткозамыкателе и контактном соединении.

Источники потерь можно считать независимыми, тогда общие потери равны сумме составляющих, а величина

где Qn— добротность, обусловленная только потерями в про­ водниках; Qk.4 — добротность, обусловленная только потерями в корткозамыкателе и контактном соединении. Согласно [4] частные составляющие добротности, вычисленные по фор­ муле (1), равны

Q

где 3 = . ло

24

При расчете добротности предполагалось, что коаксиаль­ ная линия однородна и потери существуют только в провод­ никах линии и короткозамыкателе. Реальные системы обычно сложнее и по форме и по количеству элементов с потерямй, однако методика расчета Q и R30 энергетическим методом [4] аналогична приведенной и состоит в нахождении величин, входящих в формулы (1) и (4).

При расчете импедансным методом [3] используются соот­ ношения (5) и (10).

§ 5. Конструирование объемных резонаторов

Объемные резонаторы находят широкое применение в диа­ пазоне сантиметровых волн, а иногда в дециметровом и миллиметровом диапазонах. Это связано с тем, что геометри­ ческие размеры объемных резонаторов находятся в прямой зависимости от длины электромагнитной волны, поэтому в диапазоне децим-етровых волн резонаторы становятся гро­ моздкими, а на миллиметровых волнах — трудно выполни­ мыми. Кроме того, из-за сгущения собственного спектра ча­ стот, а также в силу конструктивных и технологических труд­ ностей не удается получить объемные резонаторы миллимет­ рового диапазона с высокой добротностью. Практически для волн короче 8 мм объемные резонаторы проектируются чрезвычайно редко.

Применение объемных резонаторов разнообразно. Отдель­ ные резонаторы и устройства на их основе применяются в ка­ честве СВЧ фильтров, волномеров, колебательных систем СВЧ генераторов и усилителей, эхо-камер для испытания радиоло­ кационных станций и т. п. На наблюдении изменений пара­ метров резонаторов под воздействием вводимых в них твер­ дых, жидких или газообразных веществ основаны исследова­ ния электрических параметров этих веществ. На таком же принципе основаны некоторые методы диагностики плазмы. Измерение параметров резонаторов, охлажденных до близ­ ких к абсолютному нулю температур предоставляет данные о сверхпроводимости металлов. Практическое применение на­ ходят резонаторы относительно простой фермы (сферы, пря­ моугольные параллелепипеды, круговые цилиндры, торы и и некоторые другие). Это объясняется возможностью реше­ ния уравнений Максвелла для этих форм резонаторов, а также возможностью осуществления их конструкции с необ­ ходимой степенью точности.

25

Основными параметрами объемных резонаторов являются

не только от потерь в резонаторе, но и величины энергии, передаваемой от резонатора к его нагрузке; резонансное со­ противление; резонансная частота; стабильность резонансной частоты, зависящая от конструкции резонатора, применяемых материалов и условий эксплуатации.

Заданные значения основных параметров обеспечиваются прежде всего в процессе проектирования, который включает

выбор типа резонатора; выбор типа колебаний (структуры поля);

выбор метода настройки и типа связи резонатора с возбудителем и нагрузкой;

расчет геометрических размеров резонатора, обеспечиваю­ щих перестройку в заданной полосе частот, получение макси­ мальной или заданной добротности, отсутствие паразитных видов колебаний;

конструктивную разработку отдельных узлов и элементов резонатора (плунжеров настройки, элементов связи, разъем­ ных и неразъемных соединений и т. п.);

выбор материалов, покрытий, методов обработки и каче­ ства токонесущих поверхностей, обеспечивающих получение заданных параметров;

учет влияния внешних условий (например, температуры, влажности) на основные параметры резонатора;

расчет допусков на форму и размеры резонатора; конструирование и расчет вспомогательных элементов ре­

зонатора (приводных механизмов, отсчетных устройств, эле­ ментов крепления и т. д.).

Остановимся подробнее на основных этапах проектирова­ ния резонаторов. Выбор типа резонатора и типа рабочих ко­

ния (1). При расчете добротности обычно считают, что по­ тери в резонаторе (Р ) складываются из потерь в его с_тенках (Р i), из потерь в диэлектрике (Яг), заполняющем объем резонатора, и потерь, связанных с передачей энергии к на- ■/ грузке (Я3). Таким образом, Р^Р\ + Р2 + Рг- Могут сущест­ вовать и другие виды потерь, например потери в контактных системах, потери на излучение .при несовершенной экрани­

ровке внутреннего объема.

26

Считая источники потерь взаимно независимыми, анало­ гично (14) можно записать, что

(Ри Р2) при Рз = 0, называется собственной добротностью ре­

потерь», при котором добротность резонатора велика, поля и токи несущественно отличаются от полей и токов идеального резонатора, а частота колебаний не зависит от величины по­ терь. Это позволяет вычислить поля в резонаторе, его собст­ венные потери с учетом конечной проводимости среды и сте­ нок и, наконец, добротность резонатора. При колебательном процессе энергия электрического поля периодически перехо­ дит в энергию магнитного поля и обратно. Поскольку суще­ ствуют моменты, когда вся энергия резонатора W запасена в электрическом или магнитном поле, ее величина может быть вычислена как максимальная энергия одного из этих полей

W = [ b V ™ L d V = dV, (18)

где V — объем резонатора; Нылк: и £ макс — амплитуды маг­ нитного и электрического полей в резонаторе; (ia p-о — абсолютная магнитная проницаемость; еа = s0 s — абсолютная

В резонаторах высокой добротности преобладающими яв­ ляются потери в стенках, которые находятся вычислением

27

к упрощенному выражению, позволяющему приближенно оце­ нить величину добротности,

1 %

°е

где Vv — объем, в котором энергия запасается; S p — площадь проводящей поверхности, в которой энергия рассеивается и которая ограничивает этот объем.

зрения получения максимальной дооротности целесообразно применять сферические резонаторы, причем с возможно боль­ шим для данной длины волны к0 радиусом R, поскольку

Теоретическое значение добротности сферических резона­ торов весьма высоко и, например, для длинноволновой части сантиметрового диапазона и хорошо проводящих мате­ риалов составляет сотни тысяч. Однако, несмотря на свои высокие электрические характеристики, сферические резона­ торы в настоящее время редко находят практическое приме­ нение из-за невозможности перестройки в диапазоне частот и технологических трудностей точного выполнения формы.

Прямоугольные и цилиндрические резонаторы уступают по добротности сферическим, однако могут быть широкодиа-

28

пазонными. Эти резонаторы являются более простыми в кон­ структивном и технологическом отношении и поэтому находят широкое применение.

На рис. 9 приведены графики, показывающие зависимость добротности цилиндрического резонатора от типа колебаний (Нтт> или Етпр) и соотношения геометрических размеров. Графики построены по формулам

2Э