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

стройки, т. е. к увеличению контактного сопротивления,, па­ дению добротности и возможности окисления поврежденных, поверхностей;

— переходное сопротивление не остается постоянным:

впроцессе одной перестройки резонатора;

—плавная перестройка резонатора затруднена, особенно при износе контактных поверхностей;

—в резонаторах большой мощности возможен перегрев, контактных соединений, что приводит к их скорейшему раз­

рушению.

Однако контактные элементы настройки находят доста­ точно широкое применение, например в редко перестраиваю­ щихся резонаторах, в силу простоты расчета градуировочной, кривой и механизмов, направляющих движение контактных элементов. Влияние качества контактов на работу резона­ тора может быть уменьшено путем расположения контактов в местах минимальных контурных токов СВЧ либо примене­ нием плунжеров с трансформацией контактного сопротивле­ ния. При конструировании контактных элементов особое вни­ мание уделяется повышению их износостойкости и обеспече­ нию необходимой величины контактного давления.

При проектировании резонаторов важен вопрос о возбу­ ждении и отводе энергии к нагрузке. Тип связи и конструк­ ция соответствующих элементов зависит от типа резонатора,, диапазона волн и типа линии передачи, связанной с резона­ тором. Связь резонатора с источником колебаний может осу­ ществляться с помощью

—отверстий в стенке резонатора, соединяющих его объем

сдругим объемом, где колебания уже возбуждены;

—системы проводников, помещаемых в резонатор и пи­ таемых каким-либо СВЧ генератором;

—электронного потока, меняющего свою плотность во времени.

Задача о возбуждении отверстиями вынужденных колеба­ ний в резонаторе решается, если известно собственное поле резонатора и возбуждающее поле в плоскости отверстия. При этом связь определяется степенью совпадения полей ре­ зонатора и отверстия, что выявляется при рассмотрении гра­ ничных условий. При таком расчете считается, что отверстия малы относительно длины волны и не создают искажений поля резонатора, что они расположены в тонком и плоском проводящем экране. В реальных конструкциях эти условия

•выполняются только приближенно, что вносит погрешности:

40

в расчет и может явиться причиной возникновения паразит­ ных колебаний в резонаторе.

Возбуждающие проводники вводятся в объем резонатора через отверстия в его стенках и по форме представляют обычно штырь либо петлю с размерами, значительно меньшими длины волны. Последнее обстоятельство позволяет предполо­ жить линейное распределение токов по длине штыря и вос­ пользоваться теорией излучения штыревых антенн. Малость размеров возбуждающей петли определяет постоянство тока по всей длине ее проводника, что также упрощает теорию. Эффективность возбуждения колебаний штырем зависит от степени его совпадения с силовыми линиями электрического поля резонатора и расположения штыря относительно пучно-

сти поля. Эффективность возбуждения петлей зависит от ве­ личины магнитного потока поля резонатора, пересекающего плоскость петли. Поэтому величина связи может регулиро­ ваться как выбором места включения петли относительно маг­ нитного поля резонатора, так и поворотом плоскости петли относительно силовых линий магнитного поля.

В сантиметровом и миллиметровом диапазонах приме­ няется дифракционная связь отверстием, а также связь шты­ рем. В дециметровом диапазоне более удобными в конструк­ тивном отношении являются штырь и петля [11]. Для примера в табл. 2 дана краткая сравнительная характеристика видов связи, применяемых в коаксиальных резонаторах дециметро­ вого диапазона, а на рис. 12 и 13 приведены примеры конст­ рукций соответствующих элементов связи.

П р и м е р 5. Необходимо сконструировать резонатор ши­ рокодиапазонного волномера, предназначенного для измере­ ния длины волны СВЧ генераторов в диапазоне волн от

■Ямин = 4 до Ямакс=Ю см (коэффициент перекрытия -^— =2,5. ^МИН

41

применение объемных цилиндрических резонаторов. Однако разработка таких резонаторов с большими коэффициентами перекрытия (более 1,5) практически невозможна из-за воз­ никновения большого количества мешающих типов колеба­ ний, что подтверждается, например, анализом диаграммы настройки. Единственной возможностью обеспечить заданный коэффициент перекрытия является применение коаксиального

резонатора с колебаниями типа -2|-. Добротность коаксиаль­

ных резонаторов обычно не превышает нескольких тысяч еди­ ниц. Остается решить, является ли такая величина доста­ точной. Заданная нестабильность частоты СВЧ генераторов равна ± 10-3 /. Чтобы заметить такие уходы частоты с,помощью волномера, требуются относительно низкодобротные колеба­ тельные системы. Исходя из того, что ширина резонансной кривой (2 А/) должна быть не меньше удвоенной нестабиль­ ности генератора, найдем величину требуемой нагруженной добротности колебательной системы

а это значит, что в нашем случае коаксиальный резонатор обеспечит необходимую величину добротности.

Добротность коаксиального резонатора может быть при­ ближенно найдена по формулам (14)-н;(16) либо по формуле, учитывающей потери только в цилиндрических проводни­ ках [12]

(25)

е

44

Из формулы (25') видно, что при заданном соотношении диаметров проводников Q = D. Увеличение Q за счет увели­ чения D может привести, как это следует из уравнений (12) и (13), к возникновению в коаксиальном резонаторе волн типа ТЕ и ТМ и в первую очередь волн типа ТЕ. Преобра­ зуем уравнение (12) к виду

(26)

где «=1, 2, 3 — порядок колебаний; Хкрте — критическая длина волны, при которой в коаксиальном резонаторе могут возникнуть колебания типа ТЕ. Из (26) вычислим наиболь-

Воопользовавшись формулой для расчета глубины проник­ новения тока в металл или соответствующим графиком [8] и считая, что на токонесущие поверхности резонатора нанесен

тывать потерь в короткозамыкателе, и добротность резона­ тора Q~Q4.

Итак, резонатор с выбранными поперечными размерами имеет расчетную величину добротности QMhh~ 8000, значи­ тельно большую требуемой (Q= 1000-3-1500). Возможное уменьшение добротности на 10-^30% из-за микропогрешно­ стей (шероховатости) проводящих поверхностей не исклю­ чает его применения.

Настройка коаксиального резонатора может осуществ­ ляться различными способами, например с помощью контакт­ ного либо бесконтактного плунжера. На рис. 14 приведена

45

конструкция резонатора, настраивающегося посредством пе­ ремещения его центрального проводника, т. е. изменением длины резонатора. Этот метод настройки позволяет получить добротность даже большую, чем при настройке бесконтакт­ ными плунжерами (рис. 8). Наличие плунжера приводит к некоторому уменьшению добротности из-за потерь в самом

Рис. 14. Конструкция широкополосного коаксиального резонатора санти­

плунжере и -перемещающих его тягах, кроме того, услож­ няется конструкция привода настройки. Резонансная длина

где «==0, 1 , 2 . . .

Изменение длины /0, т. е. резонансной длины волны л0, осуществляется перемещением внутреннего проводника, а

46

электрический контакт этого проводника с торцом резона­ тора— посредством дополнительной разомкнутой коаксиаль-

что обеспечивает малую величину ее входного сопротивления. На волнах длиннее Х0Мин эта линия подобна СВЧ блокировоч-

:ному конденсатору. В нашем примере согласно (27) при

X

расчетных величин из-за наличия торцовой укорачивающей емкости внутреннего проводника, которая может быть учтена.

В приведенной конструкции коаксиального резонатора

.наиболее рациональной оказывается индуктивная связь, так как, находясь все время у короткозамкнутого конца резона­ тора (в пучности м-ашитиого поля), петля обеспечивает при­ мерное постоянство связи во всем диапазоне длин волн.

.Элемент электрической связи (например, штырь) при­ шлось бы установить в пучности электрического поля против торца внутреннего проводника, перемещение которого при­ вело бы к значительному изменению величины связи.

П р и м е р 6. Приведем пример расчета высокодобротного резонатора 3-сантиметрового диапазона. Исходные дан­ ные следующие: диапазон перестройки (3,4ч-3,6) см; нагру-

.женная добротность Qn~ 35000.

По графикам рис. 9 найдем, что высокую добротность при малом значении второго индекса (/г = 1), т. е. при меньшем количестве мешающих типов колебаний, молено получить при колебаниях типа Н01р. Выбор индекса р зависит от необходи­ мой величины добротности. Если заданную добротность можно получить при различных р, то этот индекс, из условий уменьшения длины резонатора и количества мешающих ти­ пов колебаний, выбирается наименьшим. Выбранному р и за­ данному значению добротности могут соответствовать два различных отношения D/L, окончательный выбор которого будет определяться сравнением вариантов конструкции по экономическим и технологическим показателям.

Считая, что поверхность резонатора покрыта серебром,

.для средней волны диапазона подсчитаем отношение

0,7 -10-4

2 - 10-5.

ч) 3.5

47

По этому отношению и графикам рис. 9 найдем, что при.

-j- == 1 максимальная добротность резонатора при колеба­

ниях типа #оп Q - 3 3 000; при Нш Q «39 000; при /У013 . Q~ 48 000; при # 0i4 Q*» 59 000. Необходимая величина доброт­ ности нагруженного резонатора составляет QH~35 000. Поэ­ тому в резонаторе должны быть возбуждены колебания типа #oiр, где индекс /?>]. Окончательный выбор значения индекса р зависит от величины мощности, которая в конкрет­ ной схеме должна быть -передана от резонатора, обладающего-- определенным запасом энергии, к его нагрузке. Предполо­ жим, что передача мощности к нагрузке уменьшает доброт­ ность резонатора на 20ч-25%. Тогда добротность ненагруженного резонатора должна быть больше примерно в 1,25 ра­

Q » 48 000; точнее, величина Q может быть определена по формуле (24). Обращаясь к диаграмме настройки (рис. 10),

Умшт~63 мм. Рабочую область резонатора на диаграмме настройки пересекают прямые, соответствующие колебаниям

# 212, #412, # 122, #313, #114, # 022- РаДИКЭЛЬНЫМ СПОСОбоМ ПОДЭВ-

ления всех этих колебаний является применение бесконтакт­ ного дискового плунжера настройки, между которым и ци­ линдрическими стенками резонатора существует узкий коль­ цевой зазор. Все колебания, кроме #о п р имеют токи, пересе­

кающие зазор, поэтому энергия паразитных колебаний излу­ чается в заплунжерное пространство, где может быть погло­ щена материалом с большими потерями. На выбранный тип волны #oi3 кольцевой зазор не окажет влияния, так как про­

дольные токи на всех поверхностях резонатора отсутствуют и линии токов не пересекают зазор.

При колебаниях # 0 пр электрическая составляющая поля у поверхностей резонатора равна нулю, поэтому электриче­ ская связь отверстием невозможна, а электрическая связь зондом неэффективна и конструктивно затруднена в силу кольцевой формы силовых линий электрического поля. Маг­ нитная связь может быть осуществлена петлей или отвер-

48

стием. Наиболее сильная связь достигается при расположении элементов связи в максимуме магнитного поля резонатора,, т. е. на цилиндрической поверхности на расстоянии г —

В качестве элементов связи применим два отверстия, рас­ положенных в торце резонатора на одном диаметре на рав­ ных расстояниях от центра.

Для осуществления наиболее сильной связи отверстия следует располагать в максимумах магнитного поля резона­ тора, для чего расстояние между отверстиями выбирается равным примерно D/2. В то же время расстояние между от­ верстиями должно быть равно половине длины волны в воз­ буждающем волноводе (W 2), соприкасающимся с торцом резонатора узкой стенкой, чем достигается противофазность магнитного поля волновода у отверстий связи. Чтобы выпол-

D л„

нить равенство ~2 ~ ~ 2 ' можно варьировать либо величи­

ной Яв, т. е. размером широкой стенки волновода, либо диа­ метром резонатора D. В первом случае размеры волновода могут стать нестандартными, что нежелательно, во втором —

при изменении D отношение -j- может отличаться от еди­

и невозможность возникновения колебаний типа Нтпр с не­ четными индексами т, при которых составляющая магнит­ ного поля резонатора у одного из отверстий связи окажется в противофазе с возбуждающим полем волновода. При распо­ ложении отверстий на торце резонатора не будут также воз­ буждаться колебания типа Emnv, если т —0, 1, 3, 5... Волны с нечетными р не возбуждаются из-за противофазной струк­ туры поля у отверстий связи, волны E0np — из-за отсутствия радиальной составляющей магнитного поля. Таким образом, в результате применения выбранного типа связи будут допол­ нительно ослаблены возможные, но нежелательные колебания