книги из ГПНТБ / Андреев Д.П. Механически перестраиваемые приборы СВЧ и разделительные фильтры

На рис. 3.16 приведена зависимость добротности ем­ костного резонатора от вели­ чины зазора b' при постоян­ ном значении частоты. Для резонаторов с Q= 25 и Q = 50 зазоры емкостных диафрагм соответственно равны: Ь'= = 6,4 мм; Ь' = 4,16 мм.

На графике рис. 3.17 при­ ведены расчетная зависи­ мость Q от частоты для резо­ наторов с зазором 6'= 6,4 мм и 6' = 4,16 мм и эксперимен­

тальные значения добротно­ Рис. 3.1?. Расчетная , и экспериментальная стей резонаторов, определен­ зависимость нагруженной добротности ем­ ные по измеренным частот­ костногочастоты резонатора сечением 34X72 мм от

ным характеристикам резо­ наторов. Как видно из графика, результаты расчета довольно близ­ ко совпадают с экспериментом.

3.4.ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЙ ИНДУКТИВНО-ЕМКОСТНЫЙ РЕЗОНАТОР

Схема построения

Основными достоинствами индуктивно-емкостного резона­ тора являются малое изменение ширины полосы пропускания при его перестройке в диапазоне частот и повышенное затухание в об­

и поэтому для получения резонанса доста­ тора точно изменить электрическую длину между

реактивностями (т. е. выполнить фазовое условие резонанса). Это обычно достигается с помощью емкостной реактивности, вводимой в центр звена.

Для резонатора, образованного емкостью и индуктивностью, при изменении частоты необходимо изменять . как электрическое

101

расстояние между реактивностями, так и уравнивать коэффициен­ ты отражения от них (т. е. выполнять амплитудное условие резо­ нанса) с тем, чтобы получить полный резонанс при перестройке. Необходимость уравнивания коэффициентов отражения от реактив­ ностей при перестройке обусловлена тем, что индуктивная и емко­ стная проводимости имеют разные по знаку производные от часто­ ты, и равенство этих реактивностей возможно только на одной ча­ стоте. Для перестройки индуктивно-емкостного резонатора требу­ ется в общем случае два элемента перестройки. Это сложно вы­ полнить конструктивно, поэтому перестраиваемые резонаторы, об­ разованные с помощью реактивностей разного знака, не применя­ лись. Однако, как будет показано ниже, роль этих двух элементов может выполнить одна емкостная (или индуктивная) реактив­ ность, величина проводимости и место включения которой изме­ няются при изменении частоты. Это, в свою очередь, может быть реализовано одним элементом перестройки [36].

Расчет частотной характеристики резонатора

Определим частотную характеристику резонатора через функцию рабочего затухания, выраженную через коэффициент вол­ новой матрицы передачи Тц.

Произведя вычисления, получим выражения для мнимой и дей­ ствительной частей элемента матрицы Ті2:

Jm Т12 = '-~ {уіуп sin'kl -і- (уі — у2) cos kl 4-

+С [— УіУі sin kli sin kl2— yxsin klxcos kl2+ + Уі, COS klx sin kl.i -f cos k (4 — /2)]},

1Ѳ2

iReTi2= — {(«/i+{/2)sin^/+C[— (ух -j- y2) sin klt sin kL_ —

Для этого действительная и мнимая части элемента матрицы Ті2 должны быть равны нулю:

включения элемента перестройки. При перестройке емкостным эле­ ментом реактивности выбираются равными на верхней частоте диа­ пазона перестройки. Расстояние между реактивностями равно по­ ловине длины волны в волноводе на этой частоте.

Результаты расчета величины и места включения емкостного элемента перестройки в зависимости от относительного изменения

.лммеиниму.

103

мента перестройки должно смещаться к индуктивной реактивности

(уменьшение ~ ) -

Конструктивно такую схему можно реализовать, например, с помощью одного наклонного емкостного стержня (рис. 3.22). По

жается в резонатор таким образом, что его конец приближается к индуктивности. Тем самым эффективное место включения емкост­ ной проводимости смещается в сторону индуктивности. При этом

будет обеспечиваться точная настройка в резонанс в широком диа­ пазоне частот.

Если же диапазон перестройки не превышает нескольких про­ центов (до 1 0 %), то достаточно расположить элемент перестрой­ ки на некотор-сим 'среднем расстоянии от индуктивности. Это 'рас­ стояние зависит от добротности и составляет около одной трети; от длины резонатора.

104

Зная частотную зависимость проводимостей реактивностей, об­ разующих резонатор, а также величину проводимости и место включения элемента перестройки, можно вычислить частотные ха­ рактеристики резонатора [ф-лы (3.5) и (3.48)].

Рассмотрим теперь амплитудно-частотную характеристику ин­ дуктивно-емкостного неперестраиваемого резонатора при значи­ тельных расстройках по частоте — от критической частоты до тре­ тьей гармоники. Согласно выражениям (3.5) и (3.48), при С= 0 вносимое затухание равно

Условие резонанса на рабочей частоте выполняется при і/ю=

— у2а= у0 и /0— Зіная зависимость проводимостей от чистоты,

нетрудно по ф-ле (3.50) рассчитать амплитудно-частотную харак­ теристику резонатора. Зависимость проводимостей от частоты мо­ жет быть представлена так:

скания амплитудная харак-

105

Рис. 3.24. Амплитудно-частотные характеристики резонато­ ров в широком диапазоне частот:

терислика иіндуктивіно-емікостного резонатора более симметрична, чем -индуктивного или емкостного резонаторов.

Расчет нагруженной добротности резонатора

Нагруженная добротность Q резонатора может быть вы­ числена из его частотной характеристики по ф-лам (3.3) и (3.5), если приравнять выражения (3.5) и (3.48). Из ф-лы 3.48 следует, что для узкополосных фильтров ( у ^ 5 ) Re Г,г меньше Jm r12. По­ этому можно записать в первом приближении

X = Jm Ті2 {УіУі sin kl -\-(уі— уг) cos kl -}-С[— уху2sin klxsin kl,—

Учитывая, что в первом приближении в полосе частот до 10% [35]

1

У і= У і— \ Уг=ЦгХ, (3.54)

А

где qi и q2— коэффициенты пропорциональности.

106

(3.56)

Производя дифференцирование — , — , — и подстав­

ляя выражения (3.56) в формулу для добротности (3.3), получим

(т. е. 4 и /г) определяются по методике, изложенной выше. Результаты расчета по ф-ле (3.57) добротности резонатора, об­

разованного нормированными проводимостями, равными 5, 10 и 15 на верхней частоте диапазона перестройки, представлены на рис. 3.25. Как показывает количественный анализ полученных ре­ зультатов, учет в ф-ле (3.57) третьего слагаемого и члена, завися­ щего от С, дает незначительную поправку, и с точностью до не­ скольких процентов можно считать, что нагруженная добротность определяется первыми двумя членами в ф-ле (3.57), т. е.

сплошными линиями.

При небольших диапазонах перестройки (до 10%) произведе­

107.

ной и индуктивной проводимостей реактивностей, образующих ре­ зонатор, I(|J/I | = |г/г| =у), івычисліѳнін-ая іпо ф-ле (3.58).

Там же приведены для

Q

сравнения зависимости

( г Г

от реактивности для индук­ тивного и емкостного резонато­ ров.

Добротность для индуктивного и емкостного резонаторов вы­ числялась по ф-лам (3.1) и (3.15).

Результаты экспериментальных исследований

Эскиз резонатора представлен на рис. 3.27. Резонатор вы­ полнен на волноводе сечением 48x24 мм. Емкостная проводимостьреализована в виде симметричной диафрагмы толщиной 6 мм с за­ зором 1,7 мм и 2,7 мм. Зазор 1,7 мм приблизительно соответствует добротности резонатора 120, зазор 2,7 мм — добротности 35. Ин­ дуктивная проводимость реализована в виде трех индуктивных стержней, расположенных в волноводе на равном расстоянии от

108

стенок и друг от друга. Радиус стержней составлял 1,2 мм к 0 ,6 мм соответственно для добротности 120 и 35. Резонатор с Q =35 пере­ страивается емкостным металлическим винтом диаметром 10 м м , вводимым в резонатор через широкую стенку волновода на различ­ ных расстояниях /2 от индуктивности.

Рис. 3.27. Эскиз индуктивно-емкостиого резонатора:

На рис. 3.28 представлены зависимости коэффициента бегущей волны (кбв) в центре полосы пропускания от частоты, на которую настроен резонатор для различных мест включения емкостного эле-

Рис. 3.28. Зависимость коэффициента бегущей волны от частоты для пндуктивио-емкостиого резонатора для различ­ ных мест включения ем­ костного элемента на­ стройки; Qn=35

мента настройки. Настройка в резонанс производится погружением емкостного винта.

На рис. 3.29 представлены результаты измерения кбв резо­ натора при оптимальном положении настроечного стержня, вво­ димого в резонатор через узкую стенку волновода. Диаметр стер­ жня 12 мм. На рис. 3.29 представлены две кривые, отличающие­ ся направлением распространения энергии в резонаторе при из­ мерениях. Некоторое расхождение кривых можно объяснить тем, что величина потерь в диафрагмах резонатора различна. Рассмот­ рение кривых рис. 3.29 приводит к заключению, что имеется до-

109

статочно широкая полоса частот (до 10%), в которой резонатор настраивается до высокого коэффициента бегущей волны (больше 0,9) при фиксированном расстоянии настроечного элемента от ин-

дуктошностіи. Это расстояние составляет около 0,3 от общей длины резонатора.

Сопоставление расчетных и экспериментальных данных для вы­

бора оптимального места включения элемента перестройки

ностью 35 это превышение составляет 3,5ч-7%, а для резонатора е добротностью 120 — около 10%. Это расхождение обусловлено тем, что расчет производился по приближенной эквивалентной схе­ ме и не учитывались активные потери резонатора. Для резонато­ ра с добротностью 120 потери составляют 0,2ч-0,3 дБ, а для резо­ натора с добротностью 35 — около 0,1 дБ.

Расширение диапазона перестройки с помощью наклонного стержня иллюстрируется рис. 3.30, на котором представлены кри­ вые по согласованию при перестройке резонатора обычным стерж­ нем (т. е. вводимым под углом 90° к широкой стенке волновода) и наклонным стержнем. Наклонный стержень вводился в резо­ натор под углом 80°. Как видно из этого рисунка, применение на­ клонного емкостного стержня расширяет диапазон перестройки приблизительно в 1,5 раза.

Сравнение экспериментальных и расчетных данных по нагружявной до-бротіностіИ резонатора '(pine. 3.31) показывает, что іиіме-

1 И)